Voisiko tutuin alkuaine korvata harvinaiset jalometallit?

Hiilimonoksidi on myrkyllistä. Hiilidioksidi lämmittää ilmastoa. Mutta entä jos nämä pienmolekyylit olisivatkin raaka-aineita jollekin arvokkaammalle, vaikkapa metanolille? Filosofian tohtori, dosentti Petra Vasko tutkii Helsingin yliopistossa, miten se tehdään ilman kalliita ja ympäristölle haitallisia jalometalleja.

”Yritämme ryhmässäni ymmärtää ja kehittää reaktiivisia pääryhmien yhdisteitä ympäristölle ja yhteiskunnalle tärkeiden pienmolekyylien aktivointiin ja muokkaamiseen hyödyllisemmiksi kemikaaleiksi”, Vasko tiivistää.

Jalometallien haastaja löytyy lähempää

Kemiallinen teollisuus nojaa voimakkaasti siirtymämetalleihin: platinaan, palladiumiin, rodiumiin. Ne toimivat katalyytteinä, eli kiihdyttävät kemiallisia reaktioita kulumatta itse loppuun. Ongelma on, että nämä metallit ovat harvinaisia, kalliita ja usein ympäristölle haitallisia. Lisäksi niiden esiintymät keskittyvät geopoliittisesti haastaviin alueisiin.

Vasko kääntää katseensa jaksollisen järjestelmän pääryhmiin, erityisesti ryhmiin 13–15, joiden alkuaineet ovat maapallon kuoressa huomattavasti yleisempiä. Hänen tutkimuksensa keskiössä ovat niin kutsutut turhautuneet Lewisin parit (Frustrated Lewis Pairs, FLP), yhdisteet jotka pystyvät yllättävän samanlaisiin kemiallisiin temppuihin kuin siirtymämetallit.

”Pääryhmien yhdisteillä on havaittu reaktiivisuutta, minkä on ajateltu olevan mahdollista vain siirtymämetallikomplekseilla. Haluan selvittää, mistä tämä johtuu ja kuinka voimme käyttää sitä hyväksi.”

Luonto opettaa kemistiä

Käytännön työ on kaikkea muuta kuin suoraviivaista. Pääryhmien yhdisteet ovat usein niin reaktiivisia, että ne reagoivat jo ilman hapen tai veden kanssa. Siksi laboratoriokokeet tehdään inertissä kaasukehässä, argonin tai typen alla, erikoislasivälineiden ja hanskakaappien suojassa.

Vasko kuvailee itseään puoliksi kokeelliseksi, puoliksi laskennalliseksi kemistiksi. Hän johtaa tutkimusryhmää, johon kuuluu kaksi väitöskirjatutkijaa, kesätyöntekijä ja useita opinnäytetyöntekijöitä. Varsinaiseen laboratoriotyöhön hän itse ehtii enää harvoin. Päivät täyttyvät ohjauksesta, opetuksesta ja laskennallisesta tutkimuksesta.

”Aika usein paperille piirretyt ideat ja uudet molekyylit eivät olekaan mahdollista valmistaa laboratoriossa, tai ne käyttäytyvät aivan eri tavoin kuin olin ajatellut”, Vasko myöntää hymyillen. ”Mutta juuri se tekee kemiasta niin kiehtovaa. Luonto tietää parhaiten. Meidän pitää vain oppia miksi.”

Laskennallinen kemia ja tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvat menetelmät ovatkin tutkimusryhmälle korvaamaton työkalu. Niiden avulla yhdisteiden käyttäytymistä voidaan mallintaa ja joskus jopa ennustaa ennen kalliita ja aikaa vieviä laboratoriokokeita.

Oxfordista Helsinkiin, tutkijan nälkä kasvaa

Vaskon polku tutkijaksi alkoi maisterivaiheen erikoistyöstä, jossa pari kuukautta tuntui auttamattoman lyhyeltä ajalta minkään aiheen syvälliseen tutkimiseen. Väitöskirjan aikana nälkä vain kasvoi. Ratkaiseva käännekohta oli kolme vuotta tutkijatohtorina professori Simon Aldridgen ryhmässä Oxfordin yliopistossa.

”Siellä pääsin osaksi maailman huippututkimusta ja opin aivan valtavasti. Siellä myös ymmärsin, kuinka vähän sitä tietääkään.”

Ensimmäinen FLP-julkaisu syntyi Oxfordissa, ja aivan eri tuloksista kuin alun perin suunniteltiin. Yksi koe muutti tutkimuksen suunnan lähes kokonaan. Vasko ei näe siinä epäonnistumista vaan kemian luonnetta: yllättävät tulokset johdattavat tutkimuksen suuntiin, joita ei olisi muuten tullut edes ajatelleeksi.

Kohti vihreämpää kemiaa

Jos tutkimus onnistuu täydellisesti, vaikutukset ulottuvat teollisiin prosesseihin saakka: parempi atomiekonomia, vähemmän sivutuotteita, suurempi selektiivisyys. Vasko haaveilee tulevaisuudesta, jossa katalyytin voisi valita tarkoitukseen räätälöidysti. Oikea yhdiste oikeaan reaktioon.

”En voi yksin torjua ilmastonmuutosta, mutta toivon, että tutkimukseni antaa vastauksia.”

Vasko haluaa korjata yhden yleisen väärinkäsityksen. Hiilidioksidi ja hiilimonoksidi ovat kemisteille mahdollisuuksia. Niistä voidaan tuottaa arvokkaampia kemikaaleja kuin mitä ne itsessään ovat.

Mitä seuraavaksi?

Emil Aaltosen Säätiön rahoitus on Vaskolle juuri nyt elintärkeä. Akatemiatutkijan kausi päättyy elokuussa 2026, ja apuraha mahdollistaa uuden tutkijan palkkaamisen viemään lupaavia alustavia tuloksia eteenpäin.

”Kemian tutkimus vaatii paljon resursseja ja erikoisinfrastruktuuria. Ilman ulkopuolista rahoitusta on vaikea tehdä juuri sitä tutkimusta, mikä minua kiinnostaa.”

Pääryhmien kemia on tutkimusalana nuori. Ensimmäinen FLP-julkaisu ilmestyi vasta 2006. Helpot tulokset on nyt saatu. Edessä ovat vaikeammat kysymykset ja suuremmat mahdollisuudet. Petra Vasko aikoo olla mukana selvittämässä niitä, kunhan on ensin käynyt nostamassa painoja kuntosalilla ja antanut aivojen levätä.

Petra Vasko on filosofian tohtori ja epäorgaanisen kemian dosentti Helsingin yliopistosta. Hän johtaa pääryhmien kemian tutkimusryhmää, joka yhdistää kokeellista ja laskennallista tutkimusta kehittääkseen ympäristöystävällisiä vaihtoehtoja jalometallipohjaisten katalyyttien rinnalle. Emil Aaltosen Säätiön apuraha mahdollistaa uuden tutkijan palkkaamisen ja pienmolekyylien aktivointiin keskittyvän projektin jatkamisen.

Tavoitat Petran: LinkedInissä