Από τους τρι-κεντρικούς δεσμούς που αποκάλυψαν τη «μυστική» αρχιτεκτονική των βορανίων έως το borophene, τα προηγμένα πορώδη υλικά και τους νέους αναστολείς ενζύμων που ενισχύουν τη δράση των αντιβιοτικών, η κληρονομιά του νομπελίστα William Lipscomb συνεχίζει να ανοίγει νέους δρόμους στη χημεία των υλικών και την ιατρική
Σχετικά Άρθρα
Η Machado παρέδωσε στον Trump το Νόμπελ Ειρήνης - «Μια τόσο υπέροχη χειρονομία αμοιβαίου σεβασμού»
Πριν από μισό αιώνα, ένας χημικός κοίταξε εκεί όπου οι περισσότεροι έβλεπαν ένα ακατανόητο χάος δεσμών και είδε τάξη. Ο William Lipscomb αποκάλυψε το μυστικό των βορανίων - ενώσεων του βορίου που έμοιαζαν να αψηφούν τους κλασικούς κανόνες του χημικού δεσμού - και το 1976 τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας. Σήμερα, η ιδέα του για τους πολυκεντρικούς δεσμούς επιστρέφει δυναμικά, αυτή τη φορά μέσα από δισδιάστατα υλικά, υπερμοριακά πορώδη δίκτυα και φάρμακα που μπορούν να αντιμετωπίσουν την αντοχή των βακτηρίων στα αντιβιοτικά.
Τα βοράνια, με γενικό τύπο BxHyRz, είχαν ήδη προκαλέσει πονοκέφαλο στους χημικούς από τις πρώτες δεκαετίες του 20ού αιώνα. Ο Alfred Stock είχε συνθέσει ενώσεις όπως τα B₂H₆, B₄H₂₀ και B₅H₉, όμως η πραγματική εικόνα του τρόπου με τον οποίο συνδέονταν τα άτομα παρέμενε δυσνόητη.
Στη δεκαετία του 1950, ο Lipscomb, μαζί με τους Bryce Crawford και Wolfgang Eberhardt, αξιοποίησε κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ σε χαμηλές θερμοκρασίες για να εξετάσει τη δομή αρκετών βορανίων. Η δουλειά τους αποκάλυψε κάτι θεμελιώδες: σε ορισμένες από αυτές τις ενώσεις, δύο ηλεκτρόνια δεν ανήκαν αποκλειστικά σε έναν δεσμό ανάμεσα σε δύο άτομα, αλλά μοιράζονταν από τρία άτομα.
Έτσι αναδείχθηκε η έννοια του τρι-κεντρικού, δι-ηλεκτρονιακού δεσμού (3c–2e). Η ιδέα αυτή εξηγούσε γιατί τα βοράνια μπορούσαν να διαθέτουν ασυνήθιστη γεωμετρία, απρόσμενες διπολικές ροπές και συμπεριφορά που έμοιαζε να υποδηλώνει «έλλειψη» ηλεκτρονίων.
Ο Lipscomb δεν έδωσε απλώς λύση σε ένα δύσκολο πρόβλημα. Έδειξε ότι ακόμη και οι πιο παράξενες δομές μπορούσαν να γίνουν κατανοητές αν οι χημικοί ήταν διατεθειμένοι να εγκαταλείψουν ορισμένες από τις απλοποιημένες εικόνες του συμβατικού χημικού δεσμού.
Από τα βοράνια στο borophene: η ιδέα περνά στις δύο διαστάσεις
Πέντε δεκαετίες μετά το Νόμπελ, η ίδια λογική εμφανίζεται σε ένα από τα πιο ενδιαφέροντα πεδία της επιστήμης των υλικών: το borophene, μια δισδιάστατη μορφή βορίου που συχνά περιγράφεται ως το «ξαδερφάκι» του γραφενίου.
Σε αντίθεση με το γραφένιο, το borophene δεν σχηματίζει ένα απλό κανονικό εξαγωνικό πλέγμα. Τα άτομα βορίου μπορούν να οργανώνονται σε πιο σύνθετες διατάξεις τριγώνων και εξαγώνων, δημιουργώντας μια ιδιαίτερη ηλεκτρονική δομή.
Το ενδιαφέρον είναι ότι η ηλεκτρονιακά ελλειμματική φύση του βορίου - ακριβώς το χαρακτηριστικό που έκανε τα βοράνια τόσο δύσκολα στην κατανόηση - βρίσκεται και εδώ στο επίκεντρο.
Το 2021, ερευνητές στο Northwestern University έδειξαν ότι η υδρογόνωση του borophene με ατομικό υδρογόνο μπορεί να οδηγήσει σε ατομικά λεπτό υδρογονωμένο βόριο, γνωστό ως borophane. Η προσθήκη υδρογόνου μειώνει την ευαισθησία του υλικού στην οξείδωση και μπορεί να του επιτρέψει να παραμένει σταθερό στον αέρα για ημέρες.
Το borophene έχει προσελκύσει ενδιαφέρον για πιθανές εφαρμογές σε πλασμονικές και νανοηλεκτρονικές διατάξεις, αποθήκευση ενέργειας και κβαντικές τεχνολογίες. Η πρόκληση είναι να διατηρηθούν οι ιδιαίτερες ηλεκτρονικές ιδιότητές του χωρίς να θυσιαστεί η σταθερότητά του.
Η έρευνα αυτή δείχνει πόσο μακριά μπορεί να φτάσει μια θεωρητική ιδέα που ξεκίνησε από τα μόρια του βορίου: από τις ασυνήθιστες δομές των βορανίων σε ολόκληρα δισδιάστατα φύλλα ατόμων.
Από τα μοριακά «κλουβιά» στα πορώδη υλικά και τα αντιβιοτικά
Η κληρονομιά του Lipscomb δεν σταματά στα δισδιάστατα υλικά. Οι ιδέες του για τα borane clusters βρίσκουν σήμερα εφαρμογές και σε προηγμένα πορώδη υλικά.
Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα borane cage hybrid supramolecular frameworks, μια κατηγορία υλικών συγγενική με τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια (MOFs). Σε αυτά, αρνητικά φορτισμένα borane cages μπορούν να λειτουργούν σαν «κολόνες» που κρατούν σε απόσταση επίπεδα μεταλλικών ιόντων και οργανικών συνδετών, δημιουργώντας τρισδιάστατα πορώδη δίκτυα με ελεγχόμενα κανάλια.
Το ιδιαίτερο στοιχείο είναι ότι οι borane «κολόνες» δεν λειτουργούν μόνο ως δομικά στηρίγματα. Τα υδρίδια υδρογόνου στην επιφάνειά τους μπορούν να συμμετέχουν σε αλληλεπιδράσεις B–H···H–C με μόρια υδρογονανθράκων, προσδίδοντας στα υλικά δυνατότητες μοριακής αναγνώρισης και επιλεκτικού διαχωρισμού αερίων.
Και υπάρχει ακόμη μία, ιδιαίτερα πρακτική, πλευρά της χημείας του βορίου: η ιατρική.
Η έρευνα πάνω στα carboranes και metalloboranes, που αναπτύχθηκε από τη δουλειά του Lipscomb και άλλων πρωτοπόρων, άνοιξε τον δρόμο για την είσοδο ενώσεων του βορίου στη φαρμακευτική χημεία. Σήμερα, οι κυκλικοί βορονικοί αναστολείς β-λακταμασών εξετάζονται ως όπλο απέναντι στην αυξανόμενη αντοχή των βακτηρίων στα αντιβιοτικά.
Οι β-λακτάμες αποτελούν μία από τις σημαντικότερες κατηγορίες αντιβιοτικών, όμως ορισμένα βακτήρια παράγουν ένζυμα, τις β-λακταμάσες, που μπορούν να καταστρέψουν τη δραστικότητά τους. Οι δικυκλικοί βορονικοί αναστολείς έχουν σχεδιαστεί ώστε να μπλοκάρουν αυτά τα ένζυμα, επιτρέποντας στα αντιβιοτικά να συνεχίσουν τη δράση τους.
Μέχρι σήμερα, τέτοιες ενώσεις έχουν δείξει δράση απέναντι σε β-λακταμάσες των κατηγοριών A, C και D, ενώ η κατηγορία B παραμένει σημαντικό πρόβλημα λόγω της διαφορετικής αρχιτεκτονικής και του μηχανισμού της.
Πενήντα χρόνια μετά το Νόμπελ του, λοιπόν, ο Lipscomb εξακολουθεί να «παράγει» χημεία - όχι επειδή οι επιστήμονες απλώς επαναλαμβάνουν τις ανακαλύψεις του, αλλά επειδή η βασική του ιδέα αποδείχθηκε εξαιρετικά γόνιμη. Εκεί όπου το βόριο φαίνεται να παραβιάζει τους κανόνες, οι πολυκεντρικοί δεσμοί προσφέρουν έναν τρόπο να κατανοήσουμε τη φαινομενική αταξία.
Από τα μοριακά κλουβιά των βορανίων μέχρι τα δισδιάστατα φύλλα borophene, τα πορώδη υλικά και τις νέες στρατηγικές απέναντι στην αντοχή των βακτηρίων, μια ιδέα που γεννήθηκε στη χημεία του 20ού αιώνα εξακολουθεί να τροφοδοτεί την επιστήμη του 21ου.
www.worldenergynews.gr
