Kemiforskning för hållbara lösningar får anslag från Vetenskapsrådet

Med stöd från Vetenskapsrådet kan nu fem nya spännade forskningsidéer som kan leda till nya lösningar för hållbar utevckling igenomföras.

Måndag 6 november blev det officiellt vilka nya forskningsprojekt som beviljas anslag från Vetenskapsrådet för att kunna genomföra sina idéer. Fem projekt som kan leda till nya hållbara lösningar och totalt nästan 20 miljoner kronor gick till forskare på institutionen för kemi och kemiteknik på Chalmers tekniska högskola.

– Varmt grattis till våra forskare som nu kan genomföra sina spännande och viktiga forskningsidéer. Kemi och kemiteknik spelar en viktig roll för att möta våra samtida utmaningar så i förlängningen kan man se detta som ett grattis till oss alla, säger Hanna Härelind prefekt på institutionen för kemi och kemiteknik.

– Vi är alla stolta och glada för våra kollegors mycket väl genomförda insats i en hård konkurrens, tillägger Hanna Härelind

Forskarna och projekten som beviljats anslag är följande:
(längre beskrivningar av respektive projekt kommer publiceras nedanför listan inom kort)

Alexander Giovannitti ” Effektiva polymera elektrokatalysatorer för en cirkulär ekonomi”
Angela Grommet ” Bottom-up tillverkning av lipidnanopartiklar med låg permeabilitet”
Merima Hasani ”CO2-kemi en försummad tillgång hos alkaliska cellulosalösningar i vatten”
Nina Kann "Dearomatisering och dominoreaktioner som verktyg för syntes av funktionaliserade polycykliska molekyler"
Lars Öhrström ” Mekanodynamiska egenskapers beroende på topologi, byggnadsenheter och gästmolekyler hos metallorganiska ramverksföreningar undersökt med diffraktion, spridning, sorption och mer”

Läs om samtliga forskare och projekt på Chalmers som fått anslag från Vetenskapsrådet

Effektiva polymera elektrokatalysatorer för en cirkulär ekonomi

Ett nytt angreppssätt för att göra elektroniken som laddar våra moderna liv återvinningsbar

Det här projektet ska utforska ett nytt koncept för att implementera återvinningsbara material i grön teknologi som till exempel bränsleceller.

Projektets mål är att utveckla effektiva elektroder som också är återvinningsbara. Det skulle kunna bidra till att få bort flaskhalsarna som finns idag för att skala upp och minska kostnaderna för utveckling av miljövänlig teknik. I dagsläget är den här nya tekniken helt beroende av sällsynta, dyrbara råvaror som det helt enkelt inte finns tillräckligt av på planeten för att vi ska kunna täcka våra behov. För majoriteten av produktionen är fokuset att uppnå så hög prestation som möjligt och återvinningen lämnas endast till en eftertanke för framtida generationer att hantera. Problemet förvärras ytterligare av att det saknas strategier och processer inom det här fältet för att separera och återvinna viktiga råvaror när tekniken går sönder och skapa en cirkulär ekonomi där råvaror och material kan återanvändas gång på gång.

Genom att designa ett mästerligt material som kan göra flera saker på en gång, och som fungerar med hög prestation utan att det kräver support av andra material ska vi utveckla återvinningsbara elektrodmaterial i projektet. Det här är en ny taktik som kan förenkla designen av elektroder avsevärt och minska kostnaderna för att återvinna de dyrbara och sällsynta råvarorna, när elektroniken slutar att fungera. Utöver det vill vi minska produktionskostnaderna för elektroderna med hjälp av ett bläck som lätt kan tryckas på ett liknande sätt som vi trycker tidningar. Kombinationen av de här två faktorerna kommer göra det möjligt att återvinna aktiva material genom att tvätta, det vill säga extrahera elektroderna i vätskor. Resultat av projektet är fullt återvinningsbara elektroder som kan användas upprepade gånger för att bygga effektiv grön och återvinningsbar elektronik.

Bottom-up tillverkning av lipidnanopartiklar med låg permeabilitet

Vaccinerna mot COVID från Pfizer och Moderna innehåller bruksanvisningar i form av mRNA som hjälper din kropp att lära sig bekämpa viruset. Bruksanvisningarna kan inte sprutas in direkt i din kropp eftersom kroppen förstör mRNA så snabbt att det inte hinner fylla sin funktion. Därför skyddas mRNA-bruksanvisningarna genom att förpackas i små oljedroppar, så kallade lipidnanopartiklar. Oljedropparna skyddar dock inte mRNA mot allt – mRNA förstörs av syre och vatten även förpackat i lipidnanopartiklar. Därför måste vaccinen förvaras och transporteras vid extremt låga temperaturer. Det är också orsaken till att stora investeringar i speciella flygplan, lastbilar och frysar gjordes värden över under pandemin. Genetiska sjukdomar kommer i framtiden att behandlas med metoder liknande dessa vaccin. Behandlingsmetoderna skulle bli mycket billigare och få större tillgänglighet om de kunde förvaras och transporteras på vanligt sätt och inte behöva förvaras i speciella frysar eller levereras med extremt kalla transporter. I detta projekt riktar vi in oss på att lösa detta genom att göra nya lipidnanopartiklar som ger mRNA bättre skydd.

Vi inspireras av arkeér, små organismer som lever i mycket ogästvänliga miljöer som till exempel de kokande och sura källorna i Yellowstone National Park. De överlever tack vare ett skyddande lipidlager – oljelager – liknande det som skyddar mRNA i vaccinerna. Arkeérna är dock mycket bättre på att skydda sig själva eftersom de använder andra lipider – oljor – än de som används i COVID-vacciner. Vi kommer tillverka hybridlibider – libider som kombinerar de bästa delarna från arkeélipiderna med de bästa delarna från lipiderna använda i vaccinerna. Vi kommer sedan förpacka mRNA med dessa lipider och studera hur väl de skyddar mRNA under lagring jämfört med lipiderna använda i dagens vaccin. Vi förväntar oss att mRNA förpackat i våra lipidnanopartiklar skall kunna förvaras utanför frysen under lång tid utan att förstöras.

CO2-kemi en försummad tillgång hos alkaliska cellulosalösningar i vatten

Vi befinner oss i en alltmer brådskande omställning till ett biobaserat samhälle, där byggstenar från växtriket, speciellt den rikligaste skogsbiomassan, kommer utgöra en råvarubas för våra materialbehov. Cellulosan, med sina långa hierarkiskt ordnade kedjor är stommen i denna biomassa och därmed den rikligaste källan av fibrer och enskilda polymerer. En bredare användning av dessa kommer därför att vara av avgörande betydelse för en hållbar utveckling. Detta förutsätter dock att den komplexa cellulosastrukturen kan lösas upp, främst i hållbara vattenbaserade lösningsmedel och de enskilda cellulosakedjorna omformas för att anpassas till olika användningsområden. I nuläget är vi begränsade till ett fåtal sådana lösningsmedel med ett mycket snävt processfönster och få möjligheter att påverka hur cellulosakedjorna omformas till nya material.

Trots detta är vattenlösningar av natriumhydroxyd bland de mest attraktiva tack vare att de är hållbara, billiga och lättillgängliga. Dessa erbjuder dock ett upplösningsförlopp kantat av en bristande mekanistisk förståelse. En av de största kunskapsluckorna är de upplösta kedjornas tendens att bilda geler. Intressant nog har inverkan av upplöst koldioxid i dessa lösningar aldrig uppmärksammats, trots att den borde vara en betydande komponent. Koldioxiden från luft löses, nämligen, upp i betydliga mängder i dessa högt alkaliska system. Våra studier påvisar just en specifik inbindning av koldioxid till den upplösta cellulosan, sannolikt i form av en omvandlingsbar cellulosakarbonat, en mellanprodukt som verkar påverka de upplösta kedjornas reaktivitet och tendens att bilda geler. Detta innebär att omformning av upplösta kedjor till nya strukturer till stor del kan styras av tillsats av koldioxid: mellanprodukten cellulosakarbonat skulle kunna användas för att påverka kedjornas förmåga att hitta tillbaka till varandra och bilda fasta strukturer. I det här projektet kommer vi att utforska och vidareutveckla denna fascinerande hypotes.

Dearomatisering och dominoreaktioner som verktyg för syntes av funktionaliserade polycykliska molekyler

I detta projekt vill vi med hjälp av metaller och enzymer koppla ihop olika molekyler ifrån trä och växter med varandra, för att skapa startmaterial för läkemedel och molekylära sensorer. Ur miljösynpunkt är katalytiska metoder att föredra, då endast mycket små mängder av metallen behövs i sådana processer. En annan mycket tilltalande metodik är enzymatiska reaktioner, även dessa katalytiska, eftersom sådana transformationer ofta kan utföras i vatten vid rumstemperatur och lätt kan skalas upp för ge stora mängder produkt.

I första delen av vårt projekt vill vi utveckla så kallade dominoreaktioner katalyserade av metaller och enzymer, med aromatiska molekyler som startmaterial. Aromater är platta molekyler med en ring av sex kolatomer, och kan utvinnas ur lignin, en polymer som finns i trä. En annan källa till aromater är återvunnen PET-plast ifrån plastflaskor. Dessa aromater vill vi omvandla till mer komplexa 3-dimensionella strukturer. Målet är att framställa sofistikerade mellanmolekyler för användning inom t.ex. läkemedelsindustrin. På samma sätt som dominobrickor, så kommer vår metod att trigga en kaskad av reaktioner där många bindningar kan bildas för att till slut ge upphov till en molekyl med flera ringsystem.

Andra delen av projektet handlar om att nyttja färgstarka aromatiska molekyler, azulener, som finns i vissa växter som t.ex. kamomill. Vår plan är att utveckla en molekylär sensor ifrån naturligt förekommande azulener för att detektera ett ämne som heter trimetylamin-N-oxid (TMAO). En molekylär sensor är en molekyl som ger ett utslag som kan mätas på olika sätt eller som är synligt genom ett färgomslag, om de utsätts för vissa kemiska ämnen. Enkla fälttest byggda på kemi av detta slag har fått något av en renässans genom mobiletelefonernas kameror och möjlighet att koppla upp sig mot jämförande databaser och specialdesignade appar. Detektion av TMAO är av intresse då denna lilla molekyl visat sig vara viktig i många biologiska processer.

Mekanodynamiska egenskapers beroende på topologi, byggnadsenheter och gästmolekyler hos metallorganiska ramverksföreningar undersökt med diffraktion, spridning, sorption och mer

Metallorganiska ramverksföreningar (s.k. MOF:ar) är nya material som utvecklats de senaste 20 åren med potentiella tillämpningar inom allt från gaslagring till läkemedelsleverans i kroppen och med kommersiella produkter på marknaden.

I projektet tacklar vi mekaniska och dynamiska egenskaper inbegripet stabilitet.

En viktigt egenskap hos MOF:ar är flexibilitet, det vill säga hur nätverket och strukturen kan anpassa sig och ändra geometri och volym beroende på innehåll i tomrummen eller på yttre stimuli. För detta har vi en ny strategi baserat på de av oss upptäckta vikbara nätverkstopologierna (”foldable nets” Noa et al. JACS 2020) samt också nya sätt att komma åt dessa egenskaper. Resultat visar t.ex. ”gate opening” när en del av våra material utsätts för koldioxidtryck och öppnar sig för gasadsorption inuti nätverket (Noa et al. JACS 2022).

Gällande stabileten är vår taktik att använda bryggande organiska byggstenenar som har minst två uppsättningar av två karboxylsyragrupper sittande på angränsande kolatomer i en aromatisk ring (vicinala karboxylater, den enklast med karboxylatgrupperna i position 1, 2, 4 och 5 på en bensenring). Dessa är sparsamt förekommande i MOF sammanhang, men geometriska överväganden av tusentals strukturer indikerar att dessa bör vara perfekta för att konstruera MOF:ar där vi har obrutna kedjor av metalljoner och karboxylatjoner, så kallade ”rod-MOFs”. Och dessa (Noa et al Chem 2021) är ett sätt att framställa mer stabila material, termiskt såväl som kemiskt.

Projektet kommer att dra nytta av den nya enkristalldiffraktometer för kemiska strukturbestämningar som installerades på Chalmers under 2021.

Vårt slutmål är att sammanställa ett bibliotek, eller dynamomekanisk MOF alfabet (jfr Polhem) som kan tala om för oss vilka byggstenar som ska ingår i en MOF för att ge den förutbestämdas mekaniska och dynamiska egenskaper, viktiga för dess praktiska funktion.