LU Medicīnas un dzīvības zinātņu fakultātes (MDZF) Jonu šķidrumu un ilgtspējīgas ķīmijas laboratorijā veic jonu šķidrumu sintēzi un izpēti ar mērķi veicināt industriālu ķīmisko procesu ilgtspēju – radīt tādus jonu šķidrumus, kas vienlaikus kalpotu gan par šķīdinātāju (šķidrumu, kas nodrošina reaģējošo vielu daļiņu nonākšanu kontaktā), gan par fotokatalizatoru (nodrošina ķīmisko vielu daļiņu pārvēršanos reakcijas produktā gaismas ietekmē). Gaisma var būt ļoti “zaļš” reakciju veicinātājs un kalpot kā alternatīva dārgo pārejas metālu lietojumam.
Viens no laboratorijas pētniecības projektiem – “Jonu šķidrumi ar zemas enerģijas jonu pāru lādiņa pārnesi”. Tas tiek īstenots kopš 2024. gada, pateicoties LU fonda rīkotā “MikroTik projektu konkursa dabas, tehnoloģiju un medicīnas zinātņu jomā” finansiālajam atbalstam. Vēl viens projekts “Iekārta šķidru sistēmu elektrovadītspējas noteikšanai –20…+150 grādu temperatūras diapazonā” tiek īstenots ar Jura Kalnavārnas piemiņas fonda atbalstu.
Par jonu šķidrumiem un to pētīšanas nozīmi sarunā ar LU fondu stāsta LU MDZF Ķīmijas nodaļas vadošais pētnieks Dr. Eduards Baķis.
Kas ir jonu šķidrumi un kādu labumu to pētīšana dod sabiedrības ikdienai? Kādas praktiskas izmantošanas iespējas saskatāt izstrādātajiem jonu šķidrumiem?
Tās ir šķidras vielas, kam ļoti daudz kopīga ar mums labi pazīstamiem molekulārajiem šķidrumiem (piemēram, ūdeni, benzīnu, acetonu) – tie pieņem trauka formu, tos var pārvietot lejot, tie var būt bezkrāsaini vai krāsaini. Tomēr ir daudz atšķirīgu īpašību – jonu šķidrumi būtībā nekad neiztvaikos, ja tos atstās nenoslēgtā traukā. Pretstatā molekulārajiem šķidrumiem, tie ļoti labi vada elektrisko strāvu, un iespējamais jonu šķidrumu skaits pārsniedz vienu miljonu, savukārt molekulāro šķidrumu ir vien daži simti. Šīs atšķirīgās īpašības izriet no abu veidu šķidrumu uzbūves: molekulārie šķidrumi veidoti no viena veida daļiņām – neitrālām molekulām, savukārt jonu šķidrumi sastāv no pozitīvi un negatīvi lādētiem joniem, kur katra jonu “kombinācija” veido jaunu, unikālu šķidru materiālu.
Jonu šķidrumi bieži tiek pētīti to ilgtspējīgā pielietojuma dēļ. Kā tie varētu veicināt ilgtspējīgu attīstību?
Ir vairāki aspekti, kuros jonu šķidrumu izmantošana var nodrošināt ilgtspēju ķīmisko procesu īstenošanā. Pirmkārt, pateicoties to negaistamībai, sintētiskos ražošanas procesos iespējams mazināt gaistošo organisko savienojumu emisijas (angl. VOC, volatile organic compounds). Par šķīdinātājiem izmantojot molekulāros šķidrumus, šādas emisijas nenovēršami rodas medikamentu, agroķimikāliju, krāsu un laku rūpniecībā, kā arī citur.
Otrkārt, jonu šķidrumus sintētiskos procesos kā šķīdinātājus iespējams izmantot atkārtoti. Ja pašam materiālam piemīt katalītiskas īpašības, var arī izvairīties no papildus katalizatoru lietošanas, kuri bieži vien satur smagos metālus. Tādējādi tiek ekonomēti resursi un novērsta atkritumu veidošanās. Piemēram, naftas pārstrādē uzņēmums Chevron (ASV) ieviesis uz Luisa skābiem jonu šķidrumiem balstītu procesu, kas ļauj aiztaupīt ārkārtīgi bīstamu skābju (HF, H2SO4) patēriņu alkilāta ražošanā.
Treškārt, pateicoties jonu šķidrumu dabiskajai elektrovadītspējai un ugunsdrošajai dabai, tiek radīti drošāki un efektīvāki bateriju elektrolīti. Droši vien visi atceramies gadījumus, kad lidojuma laikā pirms vairākiem gadiem tika ziņots par mobilā tālruņa baterijas uzliesmošanu. Arī uzlādes akumulatorus (powerbank) šī paša iemesla dēļ mūsu lidojumu bagāžās īpaši uzmana. Ir daudz piemēru, kā pētījumu rezultāti palīdz ilgtspējai.
Vai pētījuma gaitā izdevies identificēt konkrētu jonu šķidrumu klasi, kas uzrāda vislielāko potenciālu pētītajam pielietojumam? Kas tieši padara šo klasi par īpaši perspektīvu? Ar ko īpaši izceļas jonu šķidrumi ar zemas enerģijas jonu pāru lādiņa pārnesi?
Jonu šķidrumiem raksturīgais fenomens – lādiņa pārnese – nozīmē, ka pozitīvā jona lādiņš nav vis vienu vienību liels, bet ir tikai ap 80% no tā. Negatīvais lādiņš to kompensē tikpat lielā mērā, bet ar pretēju zīmi. Savukārt zemas enerģijas lādiņa pārnese nozīmē to, ka papildus šim vienkāršajam lādiņa pārneses efektam negatīvais lādiņš viena elektrona veidā redzamās gaismas ietekmē uz īsu brīdi aizceļo no negatīvā jona uz pozitīvo jonu, veidojot ļoti reaģētspējīgu daļiņu – radikāli. Esam pierādījuši šādu radikāļu veidošanos un labi zināms, ka tie spēj veicināt dažādas unikālas molekulu pārvērtības, ko nav iespējams panākt citos veidos – to arī šobrīd pētām.
Vai veikto eksperimentu laikā ir atklātas kādas negaidītas atziņas vai radušies neparedzēti izaicinājumi? Kā tie ietekmējuši tālāko pētniecības virzību?
Ar izaicinājumiem nemitīgi cīnās mūsu grupas pētnieki – labākie ķīmijas studiju programmas studenti Beatrise Silava un Artūrs Jubass. Domāju, ka tas ļauj jau laikus iegūt “rūdījumu” pret rezultātiem, kas uzreiz neatbilst cerētajiem, un motivē vēl neatlaidīgākam darbam, līdz iecerētais izdodas. Un viņiem izdodas!
Ņemot vērā, ka jūsu pētījums ir starpdisciplinārs un tā rezultāti var būt nozīmīgi dažādām zinātnes jomām, vai projekta ietvaros izveidojušies veiksmīgas sadarbības piemēri ar citām pētniecības grupām? Kā šī sadarbība ietekmējusi projekta attīstību?
Cieši sadarbojamies ar Francijas CNRS institūta ķīmijas laboratoriju Lionā, ENS de Lyon. Rudenī pats par pētījuma tēmu stažējos vienā no jonu šķidrumu nozarei svarīgākajiem centriem pasaulē – Queen’s University Ionic Liquid Laboratories (QUILL), Belfāstā, Lielbritānijā. Jau ieplānota kopīga publikācija, kas ieliks pamatu turpmākajām publikācijām “PostDoc Latvia” projekta ietvaros. Par kopīgām interesēm šajā lauciņā uzzināju 2024. gadā, kad ar LU fonda palīdzību mūsu grupa Belfastā piedalījās konferencē.
Kādi ir pašreizējie galvenie mērķi un attīstības plāni šajā jomā, un kādas prioritātes esat izvirzījis kā jaunākais pētnieciskās grupas vadītājs?
Ir plāni mūsu jaudu papildināt ar jauniem doktorantu spēkiem. Turklāt kopā ar LU asociēto tenūrprofesoru Vladislavu Ivanistševu piesakām Marijas Kirī ietvara projektu vairāk kā sešu valstu konsorcija izveidei, kur LU būtu vadošā loma un kas ļautu efektīvi tīkloties kopīgas tematikas jomā Eiropā.
Vēl ļoti būtisks notikums aizvadīts 2026. gada 8. un 9. aprīlī, kad pie sevis uzņēmām “The 1st Walden Panel on Ionic Liquids”, kas ir pirmā šāda veida konference nozares vēsturē. Vairāk kā 10 panelistu – jauno Eiropas līderu no jonu šķidrumu pētniecības apakšvirzieniem – pulcējās vienuviet, lai kopīgi diskutētu par vīziju, kādā pētniecība attīstīsies turpmākajos 10 gados, un nonāktu līdz ietekmīga viedokļraksta publicēšanai. Šī raksta tapšana līdz gada beigām ir svarīgākais darbs, kas ļaus mūsu virzienu un grupu pacelt jaunā atpazīstamības līmenī.
Projekta īstenošanai finansiālu atbalstu sniedz LU fonds. Kā šis atbalsts veicinājis pētnieciskās grupas un LU konkurētspēju šajā zinātnes jomā, un kādus nozīmīgus rezultātus tas palīdzējis sasniegt?
Pateicoties mecenātam “MikroTik” un LU fondam, esam ieguvuši modernas iekārtas darbam ar šķidriem materiāliem – varam veikt kritisko īpašību mērījumus (noteikt blīvumu, viskozitāti, ūdens saturu), tādējādi apliecinot pētījumu kvalitāti un nozīmību. Savukārt, pateicoties “Jura Kalnavārnas piemiņas fonda” atbalstam, esam papildinājuši fizikālķīmisko analīzes metožu klāstu arī ar iekārtu šķidru materiālu elektrovadītspējas noteikšanai temperatūru intervālā no –20 līdz pat +150 grādiem. Tā kā mūsu specifika ir jaunu, unikālu struktūru sintēze, tieši šīs kritiskās fizikālķīmiskās īpašības ir tas, ko citi pētnieki par jaunu jonu šķidrumu vēlas zināt vispirms.
Pašlaik top vairāki zinātniskie raksti par dažādām tēmām, kuru izstrādē liktas lietā minētās iekārtas. Iekārtas jau izmanto arī citi LU pētnieki. Moderns aprīkojums ir arī viens no priekšnosacījumiem motivētu un talantīgu studentu piesaistei, – par to ļoti priecājos mūsu grupas sakarā. Liels paldies viņiem par uzcītīgo darbu ikdienā un drosmi ar rezultātiem dalīties starptautiskās konferencēs! Būtībā LU fonda atbalsts ir kā degviela un riteņi mūsu attīstības dzinējam. Resursiem pašiem par sevi nebūtu tik lielas nozīmes, ja mēs nejustu uzticību un komandas garu. Esam ļoti pateicīgi mecenātam “MikroTik” par atbalstu mūsu idejām, ceram, ka arī turpmāk varēsim tikpat veiksmīgi augt LU ietvaros un uz pasaules “zinātniskās skatuves”.
