Transcript Misja chemii we współczesnym świecie

MISJA CHEMII
WE WSPÓŁCZESNYM ŚWIECIE
Bogdan Marciniec
Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza
Wiodąca Rola Chemii w Rozwoju Cywilizacyjnym, Warszawa, 2 czerwca 2011
r.
1
International Year of Chemistry - 2011
„Chemistry – our life, our future”
UN Resolution
General Assembly Nov. 2008
„Promote the role of Chemistry in contributing to
solutions of the global challenges”
„Chemistry – The Central Science”
„Chemia jest centralną, fundamentalną nauką, ściśle
związaną z niemal każdym przejawem naszych kontaktów
z materialnym światem, a także stanowi nierozerwalną
część ogólnoludzkiej kultury”
T. L. Brown, H. E. LeMay Jr (1997); A. T. Balaban, A. J Klein (2006)
2
„Chemia jest lingua franca medycyny i biologii”
Arthur Kornberg
„Życie to tylko chemia, w istocie mały przykład chemii
na pojedynczej planecie świata”
A. T. Balaban, A. J Klein
„Chemia: to wspaniałe dziecko intelektu i sztuki”
Sir Cyril N. Hinshelwood
„Przemysł chemiczny jest dzisiaj głównym filarem ludzkiej
cywilizacji i kultury. Bez przemysłu chemicznego,
społeczność ludzka, w jej obecnych i przyszłych formach,
jest nie do pomyślenia”
R. R Ernst
„Chemia tworzy substancje z nowymi właściwościami,
tworzy świat”
E. Agazzi
3
Oblicza chemii
nauka przyrodnicza, obejmująca dyscypliny szczegółowe
stanowiące jeden z fundamentów powszechnej wiedzy o świecie,
jego prawach, budowie i zmianach materii na poziomie
molekularnym
nauka stosowana, będąca fundamentem produkcji
chemicznej, obejmująca dyscypliny szczegółowe z pogranicza
nauk przyrodniczych i technicznych (technologia chemiczna) lub
z grupy nauk technicznych (inżynieria chemiczna)
4
Gospodarka Oparta na Wiedzy
Knowledge (Science) Based Economy
odkrycia
naukowe
zrównoważony rozwój
cywilizacyjny
1987 – „Raport Brundtland” Światowej Komisji ONZ do spraw
Środowiska i Rozwoju „Nasza Wspólna Przyszłość”
„sustainable development” = zrównoważony rozwój „sposób
trwałego osiągnięcia lepszej jakości życia przez wszystkich
obywateli, który nie zagraża osiągnięciu tych celów przez przyszłe
pokolenia i szanuje środowisko” (definicja ONZ)
Wyzwanie XXI w. dla środowiska naukowego określenie
właściwej strategii w zakresie polityki badań i technologii
obejmującej zintegrowane studia technologiczne, ekologiczne,
ekonomiczne i społeczne
5
Misja chemii
Kluczowa, ale jednocześnie służebna rola nauk
chemicznych w globalnym rozwiązywaniu podstawowych
problemów innych dziedzin nauki i postępu naukowotechnicznego, w warunkach zrównoważonego rozwoju
(sustainable development) współczesnej cywilizacji, tzn.
poprawy jakości życia przy ograniczonych zasobach
surowcowych i konieczności ograniczeń aktywności
przemysłowej zgodnie z wymaganiami szeroko pojętej
ochrony środowiska.
„Chemistry contribution to humanity”,
International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) – Project 2003
B. Marciniec (red.) „Misja Chemii” Wydawnictwo Poznańskie, 2004
6
7
7
Zrównoważona chemia, a zielona chemia
sustainable chemistry –green chemistry
Zielona chemia – projektowanie produktów i procesów
chemicznych, które zmniejszają lub eliminują użycie i
wytwarzanie niebezpiecznych substancji (Anastas – 1991)
clean
technologies
green
technologies
Niebezpieczne substancje
 fizyczne (palność, zagrożenie eksplozja)
 toksyczność (np. mutagenność, rakotwórczość)
 globalne (zanikanie ozonu, zmiany klimatu, zagadnienia
energetyczne, zasoby czystej wody i surowców)
8
Główny kierunek
światowych badań chemicznych
syntezy i (nano)technologie chemikaliów i biochemikaliów
Poszukiwanie oryginalnych dróg selektywnych syntez
(głównie w oparciu o procesy katalityczne) i opracowanie
technologii molekularnych i makromolekularnych związków
chemicznych o specjalnych właściwościach (fine chemicals,
biochemicals, chemical specialties), które są podstawą
materiałów i biomateriałow bądź ich prekursorów
W ścisłym związku:
badania
mechanizmów
procesów
wytwarzających takie produkty jak i ich
struktury, reaktywności, specjalnych
właściwości fizykochemicznych oraz
metod oczyszczania i pełnej analizy
Zrównoważona chemia!!!
9
Filozofia oryginalnych pomysłów w zakresie chemii i
biochemii wywodzących się ze współdziałania chemików
syntetyków ze specjalistami określającymi pożądane
(spodziewane) właściwości produktów
STRUKTURA
SYNTEZA
CHEMICZNA I
BIOCHEMICZNA
mało- i średniotonażowe technologie
WŁAŚCIWOŚCI
PRODUKTÓW
(pożądane)
fine chemicals,
bio(chemicals) chemical
specialties, materiały
oraz opracowanie technologii i biotechnologii ich wytwarzania i
dokonanie wyboru najlepszych i najbardziej konkurencyjnych
produktów w zależności od ich możliwości komercjalizacji
10
Challenging areas of the chemical sciences
in the first decade of the XXI century
IUPAC Vice-Presidential
Critical Assessment (2000)
Peter Steyn
Sustainable-green chemistry
Enviromental Chemistry
Organic Synthesis and Method Development
Supramolecular Chemistry
Materials
Bioorganic Chemistry
Physical Techniques for Study of Complex Reactions and Systems
Quantum Chemistry
Organometallic Chemistry
11
Technology Platform for Sustainable Chemistry
Strategic Research Agendas (2025)
 Materials
Technology - Technologie materiałowe
 Reaction and Process Design - Nowe reakcje (syntezy)
chemiczne i inżynieria chemiczna
 Industrial
Biotechnology - Biotechnologia przemysłowa
Wizja

Europejski przemysł chemiczny i pokrewne gałęzie
przemysłu pozostaną konkurencyjne w oparciu o nowe
technologie i wprowadzone innowacje

Lepsze wykorzystanie chemii i biotechnologii pozwoli na
zwiększenie wydajności produkcji i ochrony środowiska

Przemysł chemiczny ma uzyskać reputację wiarygodnego,
bezpiecznego i odpowiedzialnego partnera
12
Strategia rozwoju nauki w Polsce
do 2015 roku
6.4 Priorytety tematyczne w rozwoju nauki i technologii w
Polsce do 2015 r





zdrowie,
środowisko i rolnictwo,
energia i infrastruktura,
nowoczesne technologie dla gospodarki
społeczeństwo w warunkach przyspieszonego i
zrównoważonego rozwoju społeczno-gospodarczego
Obszary te przenikają się wzajemnie tworząc spójny Krajowy
Program Badań Naukowych i Prac Rozwojowych.
Motorem rozwoju w tych obszarach będą ze strony nauki
przede wszystkim takie jej dziedziny, jak biotechnologia,
technologie informacyjne oraz nanotechnologia.
Chemia wraz z technologią chemiczną to dziedzina, która
stanowi podstawę większości priorytetowych obszarów
13
Kierunki rozwoju badań podstawowych i
stosowanych z obszaru szeroko pojętej chemii
zespół Ekspercki PAN (2010)
w Polsce

Chemia na pograniczu biologii, farmacji i medycyny

Chemia materiałów o pożądanych właściwościach dla nowych
technologii

Projektowanie i wytwarzanie odczynników specjalnych,
wysokoprzetworzonych i wymagających wyrafinowanej syntezy

Chemia fizyczna i kataliza w odniesieniu do procesów i materiałów

Chemia analityczna dla ochrony środowiska i diagnostyki

Nowe, bezodpadowe technologie chemiczne i o niskim
zapotrzebowaniu na energię

Chemia radiacyjna i jądrowa w odniesieniu do diagnostyki
medycznej i zabezpieczenia właściwego pozyskiwania energii
jądrowej oraz gospodarowania odpadami promieniotwórczymi
14
Zrównoważone technologie
 Czyste syntezy i technologie ( procesy o 100%
selektywności i zerowej emisji produktów ubocznych)
 Nowe drogi syntezy i nowe reakcje
 Katalizatory
 Nowe rozpuszczalniki (ciecze nadkrytyczne (CO2 i H20)
ciecze jonowe
 Bezpieczne reagenty
 Odnawialne surowce
 Odnawialne źródła zasilania dla przemysłu chemicznego
(biorafinerie)
 Ponowne wykorzystanie materiałów odpadowych,
 Biotechnologie jako alternatywy procesów chemicznych
15
Produkty - materiały masowe i wysokoprzetworzone
fine chemicals (and chemical specialties)
 polimery biodegradowalne
 detergenty, kosmetyki
 farmaceutyki
 środki zapachowe
 agrochemikalia, pestycydy
 polimery dla medycyny (degradowalne)
 Substancje pomocnicze dla różnych gałęzi przemysłu
16
Materiały inteligentne - o pożądanych właściwościach
elektrycznych np. (nadprzewodzących), optycznych,
mechanicznych, magnetycznych
 ferroelektryki i ferroelastyki (pamięci komputerowe






nowej generacji, wyświetlacze optyczne)
materiały magnetyczne (ferromagnetyki, konstrukcja
magnesów, sensorów i przełączników)
ciekłe kryształy
materiały molekularne (organiczne, polimery)
luminofory
materiały ceramiczne – (odporność cieplna) (cienkie
warstwy ceramiczne, chemiczna krystalizacja z fazy
gazowej – Chemical Vapour Deposition)
materiały konstrukcyjne
17
Nanomateriały funkcyjne
modelowanie, nowe syntezy, nanotechnologie i nowe
zastosowania
Istotą tego kierunku jest opracowanie syntez
i technologii nowych materiałów na poziomie
molekularnym
o
zaprogramowanej
strukturze,
właściwościach
i
potencjalnych
zastosowaniach.
Tematyka budzi zainteresowanie wielu dziedzin nauki
obejmujących m.in. inżynierię materiałową, fizykę,
chemię, biotechnologię, medycynę
18
Biotechnologia
 Enzymy i mikroorganizmy jako katalizatory reakcji
chemicznych
 Zalety: aktywność katalityczna, selektywność
(chemo-, regio-, diastereo- i enancjoselektywność)
 Biotransformacja w fazie wodnej, biotransformacje w
fazie organicznej (ciecze jonowe, CO2 w warunkach
superkrytycznych)
Przykłady






Chiralne związki jako materiały wyjściowe w syntezie
organicznej
Chiralne leki (znaczenie dla medycyny)
Kwasy tłuszczowe i ich pochodne (znaczenie dla
przemysłu spożywczego)
Środki zapachowe
Środki ochrony roślin
Biopolimery
19
Chemia dla medycyny i rolnictwa - poznanie
mechanizmów procesów fizjologicznych jako
podstawa projektowania leków i agrochemikaliów.
Poznawanie molekularnych procesów rozwoju
ważniejszych obecnie i w przyszłości chorób w
celu projektowania leków.
Medycyna
oporność na leki i synteza nowych leków
 chemia centralnego układu nerwowego
 diagnostyka molekularna,
 związki kontrastowe (tomografia NMR, medycyna
nuklearna)
 molekularne aspekty toksyczności substancji
chemicznych
20

Rolnictwo
 wybór docelowego procesu fizjologicznego dla
projektowania środków ochrony roślin i leków
weterynaryjnych (badania na pograniczu chemii i
biochemii)
 nowe formy środków biologicznie czynnych
 projektowanie w oparciu o wiedzę o mechanizmach
wybranych reakcji enzymatycznych i strukturę
wybranych białek (w tym projektowanie komputerowe)
 pasze a zdrowa żywność
 dodatki do pasz zwiększające zdrowotność zwierząt
hodowlanych
 usuwanie toksyn pochodzenia mikrobiologicznego
(szczególnie mykotoksyn)
 modyfikacje pasz zwiększające wartość odżywczą i
zdrowotną mięsa i mleka
21
Kataliza
Obecnie ponad 90% produkcji przemysłu chemicznego i
petrochemicznego jest uzyskiwane dzięki procesom
katalitycznym. Wartość światowej produkcji (w roku 2000
- 8 bilionów USD)
Kataliza w zrównoważonym rozwoju

oczyszczanie samochodowych gazów spalinowych
(katalizatory trójfunkcyjne)
wykorzystanie ogniw paliwowych i zasilania wodorem
katalityczne spalanie
usuwanie lotnych związków organicznych (VOC’s)
usuwanie NO2 ze źródeł stacjonarnych
utylizacja CO2
biomasy i ich katalityczne przetwarzanie
22
Chemia analityczna
- analiza wody i gleby regionów uprzemysłowionych
- analiza biomedyczna
- oznaczenia 10-4  10-15
- rozwój metod chemicznych i fizykochemicznych
zautomatyzowanych i zminiaturyzowanych (w analizie
powietrza, wody, żywności, toksykologii i diagnostyki
medycznej)
Chemia radiacyjna i jądrowa
- diagnostyka i terapia medyczna
- monitorowanie skażeń, zabezpieczeń i unieszkodliwianie
odpadów promieniotwórczych
23
Podsumowanie
1. Wyzwania
dla
chemii,
technologii
chemicznej
i przemysłu chemicznego wobec najważniejszych
globalnych zagrożeń świata
 zapewnienie wyżywienia i zdrowia ludzkości
 zaspokojenie energetycznych potrzeb ludzkości i racjonalne
gospodarowanie światowymi zasobami surowców
 dostarczanie coraz bardziej doskonałych materiałów i półfabrykatów
dla innych obszarów techniki i codziennego życia
 ograniczenie i eliminacja zanieczyszczeń środowiska
2. Najważniejsze tendencje i perspektywiczne kierunki
rozwoju chemii i technologii chemicznej w świecie,
Europie i w Polsce
Alternatywne surowce, alternatywne zaawansowane procesy, nowe
produkty, produkcja chemiczna jako nośnik postępu
24
3. Promocja multidyscyplinarnych programów
strategicznych i multidyscyplinarnych zespołów
realizujących te programy
Celem powinno być opracowanie zaawansowanych
technologii w oparciu o wyniki badań podstawowych
i stosowanych (nauk ścisłych, przyrodniczych
i technicznych) dla potrzeb zrównoważonego
rozwoju współczesnej cywilizacji.
25
„Wielkopolskie Centrum
Zaawansowanych Technologii:
Materiały – Biomateriały”
multidyscyplinarny ośrodek badawczy o wysokiej randze międzynarodowej
Konsorcjum:
Budżet projektu: 251.550.000,00 zł
współfinansowany w 85% z EFRR
5 Uczelni: UAM, Politechnika Poznańska, Uniwersytet Przyrodniczy,
Uniwersytet Medyczny, Uniwersytet Ekonomiczny
4 Instytuty PAN: Chemii Bioorganicznej, Genetyki Roślin,
Genetyki Człowieka, Fizyki Molekularnej
Instytut badawczy: Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich
Poznański Park Naukowo-Technologiczny FUAM
- Centrum Biotechnologii Medycznej wraz ze Zwierzętarnią
- Centrum Biotechnologii Przemysłowej i Roślinnej wraz ze Szklarnią
- Centrum Technologii Chemicznej i Nanotechnologii
- Centrum Badań Materiałowych wraz z Regionalnym Laboratorium
Unikatowej Aparatury
- Zaplecze Naukowo-Techniczne wraz z Centrum Transferu Technologii
koniec 2013 – faza operacyjna Projektu
26
Głównym celem WCZT jest stworzenie w Poznaniu
multidyscyplinarnego ośrodka skupiającego
najlepszych specjalistów z nauk ścisłych,
przyrodniczych, i technicznych, skoncentrowanego
na nowych materiałach i biomateriałach
o wielostronnych zastosowaniach
1. Opracowanie oryginalnych selektywnych dróg syntez chemikaliów i
biochemikaliów (agrochemikaliów) - tzw. fine chemicals, a także nowej
generacji bio- i nanomateriałów lub ich prekursorów i następnie
opracowanie zaawansowanych technologii i biotechnologii ich
wytwarzania z przeznaczeniem dla optoelektroniki, medycyny, rolnictwa,
farmacji, i innych dziedzin przemysłu i techniki.
2. Stworzenie podstaw technologicznych dla szeregu zastosowań chemii
bioorganicznej, biologii molekularnej i biotechnologii w szeroko pojętej
ochronie zdrowia oraz zastosowań agrotechnicznych i przemysłu
spożywczego.
Współpraca z:
Kampus Berdychowo
Materiały i Biomateriały
Kampus Morasko
Technologie Informacyjne
Nagrodzony jako
Best Science Based
Incubator
Stockholm 2009
Poznański Park Naukowo-Technologiczny
Centrum
Innowacji
i Transferu Technologii
1999
Inkubator
Technologii
Chemicznych 2000
Parki Technologiczno
Przemysłowe
Business
Inqubator
2007
Zespół
Inkubatorów
Wysokich
Technologii
2009-2013
Przedsiębiorstwa
Innowacyjne
28
Bibliografia:
 Misja Chemii – B. Marciniec red. Wyd. Poznańskie 2004
 European Platform for Sustainable Chemistry 2025 –
Strategic Research Area (SRA)
 Strategia rozwoju nauki w Polsce do 2015 r.
 Stan badań w zakresie chemii w Polsce – ekspertyza
przygotowana przez zespół Integracyjno-Ekspercki Nauk
Chemicznych PAN (2010)
 M. Taniewski Technologia chemiczna w epoce
zrównoważonego rozwoju – Misja nauk chemicznych,
B. Marciniec red. (2011)
29
Misja nauk chemicznych
B. Marciniec red. (2011)
1. Adam Bielański
Synteza we współczesnej chemii nieorganicznej
2. Jerzy Haber, Małgorzata Witko
Znaczenie katalizy dla jakości współczesnego życia
3. Janusz Jurczak, Marek Chmielewski
Strategiczne kierunki rozwoju syntezy organicznej
4. Janusz Lipkowski
Chemia supramolekularna – szkic perspektyw
5. Wojciech Markiewicz, Jan Barciszewski, Henryk Koroniak,
Arkadiusz Chwaroś
Od chemii bioorganicznej do biologii chemicznej
6. Piotr Kiełbasiński, Marian Mikołajczyk
Biokataliza-ekologiczny kierunek syntezy i chirotechnologii
7. Henryk Kozłowski
Chemia i medycyna
8. Henryk Górecki, Katarzyna Chojnacka, Zbigniew Dobrzański
Innowacje chemiczne w rozwoju zrównoważonego rolnictwa
9. Paweł Kafarski
Chemia a biotechnologia przemysłowa
10. Stanisław Penczek
Makrocząsteczki i polimery - u podstaw molekularnej biologii,
medycyny i nowoczesnych materiałów
- Wstęp. Od biopolimerów do nowych materiałów. - Penczek
- Polimery w elektronice i problemy energii- Florjańczyk/Ułanski
- Makrocząsteczki i polimery w medycynie- Nowakowska/Rosiak
- Poliolefiny - podstawą przemysłu polimerów - Czaja
- Nowoczesne włókna chemiczne - Krucińska
- Polimery z odnawialnych surowców – Słomkowski
11. Bogdan Marciniec, Piotr Sobota
Związki metaloorganiczne i koordynacyjne w syntezie prekursorów
nowoczesnych materiałów
12. Jerzy Lis, Roman Pampuch
Wiedza chemiczna inspiracją dla rozwoju materiałów ceramicznych
13. Lucjan Sobczyk
Chemia a materiały we współczesnych technologiach
- Magnetyki – K. Lachowicz (Magnetyki molekularne – J. Mroziński)
- Ferroelektryki i Ferroelastyki- A. Pietraszko
- Ciekłe Kryształy – R Dąbrowski
-Materiały molekularne (nowe opracowanie) – J. Sworakowski, M.
Samoć
- Luminofory – P. Łoś, O. Gładysz, M. Sowińska
- Materiały we współczesnej elektrochemii -. P. Łoś
14. Bronisław Marciniak, Jacek Waluk
Fotochemia i spektroskopia – możliwości i wyzwania
15. Krzysztof Bobrowski, Aleksander Bilewicz, Andrzej G.
Chmielewski, Andrzej Marcinek, Jerzy Narbutt, Grażyna
Przybytnik, Iwona Szarej-Foryś
Chemia radiacyjna, Chemia jądrowa, Radiochemia
16. Adam Hulanicki, Jacek Namieśnik
Chemia analityczna we współczesnym świecie. Zadania i
perspektywy
17. Tadeusz Paryjczak, Andrzej Lewicki, Marian Zaborski
Zielona chemia ważny czynnik zrównoważonego rozwoju
18. Jacek Kijeński, Marta Kijeńska
Chemiczne metody pozyskiwania nośników energii ze źródeł
odnawialnych
19. Marian Taniewski
Technologia chemiczna w epoce zrównoważonego rozwoju