فقط یک درصد از مواد شیمیایی کشف شده است؛ چگونه می‌توانیم بقیه را پیدا کنیم؟

جهان مملو از میلیاردها ماده شیمیایی است و ما فقط یک درصد از آن‌ها را شناسایی کرده‌ایم. دانشمندان بر این باورند که ترکیبات شیمیایی کشف‌نشده می‌توانند به حذف گازهای گلخانه‌ای کمک کنند یا مانند پنی‌سیلین باعث پیشرفت پزشکی شوند.

متیو ادیکوت، مدرس مواد کاربردی از دانشگاه ناتینگهام ترنت در وب‌سایت کانورسیشن می‌نویسد از وقتی در سال ۱۸۶۹ شیمی‌دان روسی دیمیتری مندلیف جدول تناوبی عناصر را ابداع کرد، دانشمندان موادی شیمیایی را کشف کردند که به تعریف دنیای مدرن کمک کرد. ما به هم‌جوشی هسته‌ای (شلیک اتم‌ها با سرعت نور به هم) نیاز داشتیم تا آخرین عناصر را بسازیم. عنصر ۱۱۷ یعنی تنسین در سال ۲۰۱۰ به این روش ساخته شد.

برای درک مقیاس کامل جهان مواد شیمیایی باید ترکیبات شیمیایی را نیز درک کنید. برخی از آن‌ها به‌طور طبیعی وجود دارند مانند آب که از هیدروژن و اکسیژن ساخته شده است و برخی دیگر مانند نایلون در آزمایش‌های آزمایشگاهی کشف شد و در کارخانه‌ها تولید می‌شوند.

عناصر از یک نوع اتم ساخته شده‌اند و اتم‌ها از ذرات ریزتری شامل الکترون‌ها و پروتون‌ها ساخته شده‌اند. تمام ترکیبات شیمیایی از دو یا چند اتم تشکیل شده‌اند.

اگرچه، امکان کشف عناصر کشف نشده وجود دارد، این امر بعید است. بنابراین، چند ترکیب شیمیایی را می‌توانیم با ۱۱۸ عنصری که تاکنون شناسایی شده است، بسازیم؟

می‌توانیم کار ساختن ترکیبات شیمیایی جدید را با ایجاد ترکیبات دو اتمی شروع کنیم. موارد زیادی از ترکیبات دو اتمی می‌تواند وجود داشته باشد: نیتروژن و اکسیژن که به اتفاق هم ۹۹ درصد از هوای ما را تشکیل می‌دهند.

مدت زیادی طول می‌کشد تا شیمی‌دانان ترکیب جدیدی را بسازند و ازنظر تئوری، ۶۹۰۳ ترکیب دو اتمی وجود دارد. حدود ۱٫۶ میلیون ترکیب سه اتمی مانند آب و دی‌اکسیدکربن وجود دارد. وقتی به ترکیبات چهار و پنج اتمی می‌رسیم، به همه افراد روی زمین نیاز داریم که هر کدام سه ترکیب بسازند. برای ساخت کل ترکیبات شیمیایی، باید همه مواد موجود در جهان را چندین بار بازیافت کنیم. البته این توضیح ساده‌انگارانه است. مواردی مانند ساختار و پایداری ترکیب، می‌تواند آن را پیچیده‌تر و ساخت آن را دشوارتر کند.

بزرگ‌ترین ترکیب شمیایی که تاکنون ساخته شده است، در سال ۲۰۰۹ ساخته شد و نزدیک سه میلیون اتم دارد. هنوز مطمئن نیستیم ترکیب مذکور چه کاری انجام می‌دهد، اما از ترکیبات شیمیایی مشابه برای محافظت از داروهای سرطان در بدن تا زمان رسیدن به مکان مناسب استفاده می‌شود.

اما صبر کنید، شیمی قوانینی دارد!

درست است که قوانینی وجود دارد، اما آن‌ها به نوعی انعطاف‌پذیر هستند و این امر احتمالات بیشتری را برای ترکیبات شیمیایی ایجاد می‌کند.

دانشمندان توانسته‌اند نسخه‌های مصنوعی را در آزمایشگاه‌هایی بسازند که شرایط اعماق فضا را شبیه‌سازی می‌کنند. بنابراین، اگر محیط‌های بسیار منحصر‌به‌فرد و نامساعد را در محاسبات خود لحاظ کنید، تعداد ترکیبات احتمالی افزایش پیدا می‌کند.

کربن معمولاً به یک تا چهار اتم دیگر متصل می‌شود، اما گاهی‌اوقات برای مدت کوتاهی اتصال کربن به پنج اتم نیز ممکن است. اتوبوسی با حداکثر ظرفیت چهار نفر را تصور کنید. اتوبوس در ایستگاه است و مردم درحال سوار شدن و پیاده شدن هستند. وقتی مردم درحال حرکت هستند، برای مدت کوتاهی ممکن است بیش از چهار نفر در اتوبوس حضور داشته باشند.

برخی از شیمیدانان تمام وقت خود را صرف تلاش برای ساخت ترکیباتی می‌کنند که طبق قوانین شیمی نباید وجود داشته باشند و گاهی اوقات موفق می‌شوند.

دو راه اصلی برای یافتن ترکیبات شیمیایی جدید وجود دارد. یکی درنظر گرفتن ترکیب شناخته‌شده و اندکی تغییر آن ازطریق افزودن، حذف یا عوض کردن برخی از اتم‌ها است. روش دیگر، درنظر گرفتن واکنش شیمیایی شناخته‌شده و استفاده از مواد اولیه جدید است. این دو روش‌ راه‌هایی برای جستجوی مجهولات شناخته‌شده هستند. اما چگونه می‌توانیم شیمی واقعاً جدید یعنی مجهولات ناشناخته را جستجو کنیم؟

یکی از روش‌هایی که طی آن شیمیدان‌ها درمورد ترکیبات جدید دانش تازه‌ای به دست می‌آورند، نگریستن به جهان طبیعی است. پنی‌سیلین در سال ۱۹۲۸ زمانی کشف شد که الکساندر فلمینگ مشاهده کرد کپک درون ظرف آزمایشگاه از رشد باکتری جلوگیری کرده است. بیش از یک دهه بعد در سال ۱۹۳۹، هاوارد فلوری نحوه تولید مقادیر مناسب از پنی‌سیلین را با استفاده از کپک پیدا کرد. اما مدتی طول کشید تا در سال ۱۹۴۵ دوروتی هاجکین ساختار شیمیایی پنی‌سیلین را کشف کند.

اهمیت کشف ساختار مولکول پنی‌سیلین در آن است که بخشی از ساختار آن حاوی اتم‌هایی است که به شکل مربع در کنار هم قرار گرفته‌اند که آرایش شیمیایی غیرمعمولی است که تعداد کمی از شیمی‌دانان حدس می‌زنند و ساختن آن دشوار است.

درک ساختار پنی‌سیلین به این معنا است که می‌دانستیم چه شکلی است و می‌توانستیم ترکیبات شیمیایی مشابه آن را جستجو کنیم. اگر به پنی‌سیلین آلرژی دارید و به آنتی‌بیوتیک دیگری نیاز دارید، باید از دوروتی هاجکین سپاسگزار باشید. به لطف تلاش‌های این دانشمند، امروزه تعیین ساختار ترکیبات جدید بسیار آسان‌تر است.

تکنیک اشعه ایکس که دوروتی هاجکین در مسیر شناسایی ساختار پنی‌سیلین ابداع کرد، همچنان در سراسر جهان برای مطالعه ترکیبات استفاده می‌شود. از همان روش MRI که بیمارستان‌ها از آن برای تشخیص بیماری‌ها استفاده می‌کنند، می‌توان برای بررسی ساختار ترکیبات شیمیایی نیز استفاده کرد.

برای بسیاری از ترکیبات مفید، مانند پنی‌سیلین، رشد و استخراج آن‌ها از کپک‌ها، گیاهان یا حشرات آسان‌تر و ارزان‌تر است. بنابراین دانشمندانی که به دنبال شیمی جدید هستند، اغلب در کوچک‌ترین گوشه‌های جهان اطراف به دنبال الهام هستند.