«Εάν έχω στο χέρι μου ένα ζάρι ενός εκατοστού και το σπάσω σε επιμέρους ζάρια του ενός νανομέτρου (ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου) θα μπορέσω να καλύψω την επιφάνεια των τοίχων ενός δωματίου του σπιτιού μου», μου λέει ο Καθηγητής στη Σχολή Χημικών Μηχανικών στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Γιάννης Μπουρμπάκης, για να μου εξηγήσει γιατί το μέλλον της κατάλυσης είναι οι νανοκαταλύτες.
«Πολλοί καταλύτες που χρησιμοποιούνται στην βιομηχανία απαρτίζονται από πολύ ακριβά και σπάνια μέταλλα. Μειώνοντας το μέγεθος των καταλυτών μειώνεις το κόστος τους ενώ παράλληλα μεγαλώνεις την επιφάνειά τους, πάνω στην οποία λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις…», προσθέτει και κάπου εδώ ξεκινά η συζήτηση με τον Έλληνα ειδικό στη νανοκατάλυση. Για τους νανοκαταλύτες φυσικά…
Η κατάλυση, δηλαδή η χρήση υλικών για την επιτάχυνση των χημικών αντιδράσεων, είναι μια μεγάλη υπόθεση. Από τη σύνθεση νέων χημικών μέχρι τον καθαρισμό των καυσαερίων από τα αυτοκίνητα και τις συσκευές βιώσιμης ενέργειας όπως οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, οι καταλύτες παίζουν τεράστιο ρόλο στην καθημερινότητά μας, παρότι δεν το γνωρίζουμε.
Ο καθηγητής και η ομάδα του επικεντρώνονται στη χρήση υπολογιστικών μεθόδων για να αναπτύξουν καινοτόμα νανοϋλικά (Nanomaterials) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καταλύτες για την επιτάχυνση χημικών αντιδράσεων με εφαρμογή στην ενέργεια και στο περιβάλλον. Το ερευνητικό πεδίο στο οποίο δραστηριοποιείται ονομάζεται υπολογιστική νανοκατάλυση (computational nanocatalysis) και το όριο των εφαρμογών του είναι απλά η…φαντασία.
O ίδιος διευκρινίζει πως χρησιμοποιεί νέες υπολογιστικές προσεγγίσεις όχι μόνο για να κατανοήσει τους περίπλοκους μηχανισμούς λειτουργίας τέτοιων καταλυτών, αλλά και για να χρησιμοποιήσει αυτή τη γνώση για να σχεδιάσει νέους, πιο αποτελεσματικούς καταλύτες σε επίπεδο νανο- για συγκεκριμένες εφαρμογές.
«Ένα πεδίο της έρευνάς μας είναι για παράδειγμα, οι ηλεκτροχημικές διεργασίες όπου μπορεί να παραχθεί υδρογόνο με τη χρήση νερού και ηλεκτρισμού που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ή η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε χημικά προστιθέμενης αξίας όπως επίσης και χημικές μετατροπές σχιστολιθικού φυσικού αερίου σε δομικές μονάδες για την χημική βιομηχανία», εξηγεί.
Και όλα αυτά τα «μαγειρέματα» που περιγράφει έχουν άρωμα…κανέλας, αφού λαμβάνουν χώρα μέσα στο Computer-Aided Nano and Energy Lab (CANELA), στο οποίο ηγείται ο ίδιος, στο ΕΜΠ. Σε ένα εργαστήριο, το οποίο είναι το πρώτο και μέχρι στιγμής το μοναδικό στο είδος του στην Ελλάδα.
Ένας δύσκολος γρίφος…
Συνήθως όταν μιλάμε για καταλυτικές διαδικασίες σε βιομηχανική κυρίως κλίμακα πιάνουμε το νήμα από τη χρήση του κατάλληλου καταλύτη χωρίς να γνωρίζουμε τι έχει προηγηθεί μέχρι να τον επιλέξουμε. Και είναι η έρευνα του καθηγητή που προηγείται, η οποία αναδεικνύει μάλιστα και τη σημασία της Βασικής έρευνας. Ο Έλληνας χημικός προβλέπει ποια υλικά είναι πιο πιθανό να λειτουργήσουν πιο αποτελεσματικά και είναι πιο ανθεκτικά και πιο βιώσιμα. Με άλλα λόγια μπορεί να συμβουλέψει τις βιομηχανίες για την καταλληλότητα ή όχι ενός καταλύτη ή να τους προτείνει νέους, πιο έξυπνα σχεδιασμένους καταλύτες. Ωστόσο, όλη αυτή η διαδικασία είναι ένας δύσκολος γρίφος από μόνος του.
Μεθόδους υπολογιστικής χημείας, οι οποίοι είναι υπολογισμοί υψηλής ακρίβειας που απαιτούν την χρήση υπερ-υπολογιστικών συστημάτων χρησιμοποιεί συγκεκριμένα ο Δρ Μπουρμπάκης και συνδυάζει μέσα στο εργαστήριο τα αποτελέσματα αυτών των υπολογισμών με πολλαπλής κλίμακας προσομοιώσεις, όπως για παράδειγμα με μικροκινητικά μοντέλα και με μεθόδους μηχανικής μάθησης.
«Στηριζόμαστε στις σχέσεις δομής-λειτουργίας, καθώς οι ιδιότητες των νανοσωματιδίων σχετίζονται άμεσα με τα δομικά τους χαρακτηριστικά, και εφαρμόζουμε εργαλεία πολλαπλής κλίμακας για να αποσαφηνίσουμε πολύπλοκες χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε νανοϋλικά. Τελικός σκοπός είναι ο σχεδιασμός νέων νανοδομών με υψηλή ακρίβεια που φτάνει σε μοριακό επίπεδο και με προσαρμοσμένη πολυλειτουργικότητα», προσθέτει.
Όπως λέει ο ίδιος, παρόλο που μπορούν να συντεθούν νανοσωματίδια διαφορετικών μεγεθών και μορφολογιών στο εργαστήριο, οι μηχανισμοί ανάπτυξής τους είναι εντελώς άγνωστοι. Με την ομάδα του, διερευνούν αυτούς τους μηχανισμούς και προτείνουν κατευθυντήριες γραμμές σχεδιασμού για τον έλεγχο των χαρακτηριστικών των νανοσωματιδίων (μέγεθος, σχήμα, διασπορά) κατά τη σύνθεση και για το πώς αυτά θα επηρεάσουν την συμπεριφορά τους όταν χρησιμοποιηθούν ως καταλύτες.
Η υπολογιστική μοντελοποίηση μιας καταλυτικής αντίδρασης απαιτεί κατανόηση της δομής του ίδιου του καταλύτη καθώς και τυχόν υποστρωμάτων με τα οποία αυτός αλληλεπιδρά. Αυτό σημαίνει ότι τα υπολογιστικά μοντέλα πρέπει να δοκιμάσουν έναν τεράστιο αριθμό διαφορετικών διαμορφώσεων και μεγεθών νανοσωματιδίων για να διερευνήσουν πιθανούς συνδυασμούς δομικών χαρακτηριστικών που θα οδηγήσουν στην ανάπτυξη πιο πολλά υποσχόμενων καταλυτών. Ακόμη μεγαλύτερα επίπεδα πολυπλοκότητας εισάγονται στα υπολογιστικά μοντέλα με πιθανούς μετασχηματισμούς της δομής του καταλύτη κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης. Τέτοιες αλλαγές στο σχήμα του καταλύτη είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη στην υπολογιστική μοντελοποίηση για την ακριβή αναπαραγωγή των πειραμάτων.
«Με τον τρόπο που λειτουργούμε στο εργαστήριο αποφεύγουμε τα επονομαζόμενα πειράματα δοκιμής και σφάλματος. Έτσι η έρευνά μας μειώνει το κόστος και την ανθρώπινη προσπάθεια, συμβάλλοντας παράλληλα στην ανάπτυξη διεργασιών με μειωμένο ενεργειακό και περιβαλλοντικό αντίκτυπο», αναφέρει ο καθηγητής Μπουρμπάκης.
Πολλές και συναρπαστικές εξελίξεις στην κατάλυση έχουν προκύψει από τη χρήση υπολογιστικής μοντελοποίησης σε αυτόν τον τομέα και γίνονται ακόμα πιο συναρπαστικές με την εισαγωγή μηχανικής μάθησης που επιταχύνει δραματικά τον έλεγχο υψηλής απόδοσης καταλυτών.
« Ένα παράδειγμα που έρχεται από την έρευνά μας είναι η ανακάλυψη νανοσωματιδίων χρυσού των οποίων η σύνθεση ακολουθεί “μαγικούς αριθμούς” στο μέγεθος τους (εργασία δημοσιευμένη στο Nature Communications). Εκεί προτείναμε μηχανισμούς να αλλάξουμε τη δομή τους (Science Advances) για να τα μετατρέψουμε με τη βοήθεια ενός δεύτερου μετάλλου σε πιο επιλεκτικούς νανοκαταλύτες χρυσού για την ηλεκτροκαταλυτική αναγωγή
διοξειδίου του άνθρακα (Angewandte Chemie).
Παράδειγμα του brain gain…
Ο καθηγητής Γιάννης Μπουρμπάκης αποτελεί ένα τυπικό παράδειγμα του brain gain. Αποφοίτησε από το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Κρήτης και στη συνέχεια απέκτησε μεταπτυχιακό δίπλωμα στην Εφαρμοσμένη Μοριακή Φασματοσκοπία και διδακτορικό δίπλωμα ειδίκευσης στον τομέα της Υπολογιστικής και Θεωρητικής Χημείας από το ίδιο πανεπιστήμιο. Η διδακτορική του διατριβή επικεντρώθηκε στον σχεδιασμό νέων υλικών για την αποθήκευση υδρογόνου. Στη συνέχεια μετακινήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Delaware των ΗΠΑ και εργάστηκε στο Τμήμα Χημικής Μηχανικής ως μεταδιδακτορικός ερευνητής.
Το 2008 απέσπασε την ευρωπαϊκή υποτροφία Marie Curie για να διερευνήσει μηχανισμούς χημικών αντιδράσεων στα νανοσωματίδια χρυσού. Από το 2011 έως το 2013 εργάστηκε ως ερευνητής στο Catalysis Center for Energy Innovation του Πανεπιστημίου του Delaware και από το 2013 μέχρι σήμερα είναι καθηγητής στο τμήμα Χημικής και Πετρελαϊκής Μηχανικής του Πανεπιστημίου του Pittsburgh. Την περίοδο 2021-2022 ήταν προσκεκλημένος, επισκέπτης καθηγητής στο τμήμα Φυσικής του Chalmers University of Technology της Σουηδίας.
Ο Δρ Μπουρμπάκης έχει δημοσιεύσει πάνω από 140 ερευνητικές εργασίες σε περιοδικά υψηλού επιστημονικού κύρους, με μεγάλη απήχηση στον τομέα της Χημείας, Ενέργειας και Νανοτεχνολογίας. Έχει αποσπάσει σημαντικές διακρίσεις όπως το βραβείο CAREER από τον εθνικό επιστημονικό οργανισμό των ΗΠΑ (National Science Foundation) και έχει αναδειχθεί ως ανερχόμενος ερευνητής από επιστημονικά περιοδικά και από επιστημονικές κοινότητες Χημικών και Χημικών Μηχανικών των ΗΠΑ (ACS, AIChE). Για την συνολική του συνεισφορά στην παιδεία και στην αριστεία διδασκαλίας του έχει απονεμηθεί το βραβείο «Άριστου Μέντορα Διδακτορικών Φοιτητών του Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ» και το βραβείο «Pommersheim» Χημικής Μηχανικής. Το 2019 ήταν ο αποδέκτης του Επιστημονικού Βραβείου του Ιδρύματος Μποδοσάκη στον τομέα Βασικών Επιστημών, το οποίο απονέμεται στον καλύτερο επιστήμονα στον κόσμο ελληνικής καταγωγής κάτω των 40 ετών.
Το 2016, μαζί με άλλους ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Χιούστον, ο Δρ Μπουρμπάκης «τάραξε» τα νερά στο πεδίο της Ιατρικής έρευνας παρουσιάζοντας στο Nature μια νέα πιο αποτελεσματική θεραπεία για τις πέτρες στα νεφρά (μικροί σκληροί κρύσταλλοι οξαλικού ασβεστίου), υποδεικνύοντας το υδροξυκιτρικό οξύ (HCA) που περιέχεται σε φρούτα ως μια ουσία που μπορεί να τις διαλύσει. Επρόκειτο για την πρώτη ουσιαστική πρόοδο στην προληπτική θεραπεία της νεφρολιθίασης τα τελευταία 30 χρόνια.
Ο Δρ Μπουρμπάκης επέστρεψε στην Ελλάδα ύστερα από 18 χρόνια γιατί όπως λέει η χώρα μας του πρόσφερε μια άρτια εκπαίδευση η οποία του άνοιξε δρόμους για να χτίσει μια επιτυχημένη καριέρα στην Αμερική και θέλει να το ανταποδώσει. «Ύστερα από 18 χρόνια είδα την επιστροφή μου ως μια ευκαιρία να το ανταποδώσω την πατρίδα μου δουλεύοντας με εξαιρετικούς φοιτητές/τριες και ερευνητές/τριες στην Ελλάδα και στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο».
Σύμφωνα με τον ίδιο αυτή η απόφαση ήταν οικογενειακή καθώς ήταν πολύ μεγάλη. Όπως ο ίδιος λέει, τα τελευταία χρόνια υπήρξαν ελληνικά πανεπιστήμια τα οποία εξέφρασαν το ενδιαφέρον τους να επιστρέψει ο καθηγητής στην Ελλάδα καθώς το πεδίο έρευνας με το οποίο ασχολείται πρακτικά δεν υφίσταται στη χώρα μας.
Ο καθηγητής Μπουρμπάκης δέχεται πλέον ερευνητές από όλη την Ελλάδα και από όλο τον κόσμο στο εργαστήριό του: «Έχουμε χτίσει συνεργασίες με εξαιρετικούς επιστήμονες σε όλο τον κόσμο που δοκιμάζουν επιτυχώς τις υπολογιστικές προβλέψεις μας με πειράματα στα εργαστήριά τους, όπως στα Berkeley National Lab, Carnegie Mellon University, Oxford University, University of Houston, North Carolina State University, University of Rochester, National Energy and Technology Lab, Πανεπιστήμιο Αθηνών καθώς και με τη βιομηχανία».
