Elina esimene kokkupuude mehhanokeemiaga oli bakalaureuseõpingute ajal, kui ta liitus Riina Aava supramolekulaarse keemia uurimisrühmaga. Umbes samal ajal jõudis laborisse ka esimene kuulveski molekulide jahvatamiseks. „Mul oli hea võimalus kohe algusest peale sellega tööle asuda ja keskenduda mehhanokeemiale nii magistriõppes kui ka doktorantuuris“, meenutab Elina. 

Kuulveskis pannakse reaktsioonid toimuma mehhaanilise energia abil. Lähteained jahvatatakse ja segatakse ning kuulide kokkupõrked aitavad reaktsioone käivitada. Mehhanokeemiat peetakse üheks võimaluseks rakendada rohelise keemia põhimõtteid, sest reaktsioonides saab vähendada lahustite ja teiste materjalide kasutamist ning seeläbi ka jäätmeteket. 

Keemiliste protsesside läbiviimiseks on tavaliselt vaja kasutada erinevaid lahusteid, millega kaasneb ka suur hulk jäätmeid ja suur materjalikulu ning mõju elukeskkonnale. Mehhanokeemia aga võimaldab reaktsioone läbi viia peaaegu täielikult kas tahkes faasis või väga vähese vedelikuga mehhaanilise energia abil. See on üks põhjus, miks Elinale mehhanokeemia huvi pakub. „Lisaks on võimalik mehhanokeemia ja erinevate keemiliste tingimuste abil luua väga huvitavaid molekule, isegi selliseid, mille sünteesimine on varem olnud väga keeruline või isegi võimatu.“ 

50000 võimalikku vaheühendit

Doktoritöös keskendus Elina doktoritöö biotiini sisaldavate funktsionaalsete hemikukurbituriili derivaatide mehhanokeemilise sünteesimeetodite arendamisele. Hemikukurbituriilid on õõnsad makrotsüklilised molekulid, mis on justkui väikesed molekulaarsed anumad. Need koosnevad monomeeridest, mida võib kirjeldada kui ehitusklotse, mis ühinevad ja moodustavad lõpuks makrotsüklilise struktuuri. Õõnsuse tõttu toimivad hemikukurbituriilid võõrustajamolekulidena, sidudes enda sisemusse erinevaid anioone ja teisi väiksemaid molekule. „Seetõttu on need huvitavad näiteks sensoritena või ainete transportijatena. Hemikukurbituriile looduses ei leidu ja neid disainitakse laboris, et neil oleks kindel struktuur ja funktsionaalsed omadused“, lisab Elina. 

Üheks doktoritöö keskseks küsimuseks oli, kuidas panna ehitusklotse mehhanokeemilise reaktsiooni käigus kokku just soovitud viisil. Elina sõnul on see suur väljakutse, sest kasutades sünteesil kahte erinevat monomeeri lähteainena, võib mono-biotinüleeritud makrotsükli sünteesil teoreetiliselt tekkida ligikaudu 50000 erinevat vaheühendit. “Meil õnnestus aga reaktsioonitingimusi muutes suunata süsteem peamiselt kahe makrotsükli tekkele, millest üks oli soovitud mono-biotinüleeritud hemikukurbituriil. Biotiini lisamine andis makrotsüklile uue funktsionaalsuse ja selle omaduse abil töötasime välja uue funktsionaalse materjali, mida kasutati perkloraadi aniooni selektiivseks eraldamiseks“, tutvustab Elina saavutatud tulemust. Perkloraadid on inimese tervist ohustavad saasteained.

82 korda suurem skaala

Doktoritöö teine oluline tulemus oli uue sünteesitee välja töötamine juba varem sünteesitud makrotsüklile – biotiin[6]uriilile. Seni sünteesiti seda lahuses, kuid meetodi saagis oli tagasihoidlik, reaktsiooniaeg pikk ning kasutada tuli suures koguses mineraalhapet. Elinal õnnestus välja töötada efektiivsem ja vähemate jääkidega protseduur, mis võimaldas ühendit esmakordselt toota suuremas koguses, vähendades samal ajal reaktsiooniaega ja kasutatava happe hulka. Ühe sünteesiga saadi peaaegu 20 grammi puhast produkti, varasema meetodiga võrreldes 82 korda suuremas skaalas. Skaleeritavus on tähtis just võimalike tööstuslike rakenduste seisukohalt. Kuna tulevikus peaks keemiatööstus liikuma erinevate jätkusuutlikumate alternatiivide suunas, siis mehhanokeemia on üks viis vähendada märgatavalt materjali- ja ressursikulu ning tekkivate jääkide teket. 

Elina tõdeb, et keeruliste reaktsioonide analüüsimine ei ole üldse kerge, eriti mehhanokeemiliste reaktsioonide korral. „Kui lahuses läbi viidud reaktsioon on ühtlane segu, siis mehhanokeemiline reaktsioonisegu võib koosneda erinevates faasidest ning selle koostis erinevates osades võib olla ka erinev. Seetõttu tuli välja töötada ja valideerida analüüsimeetod, mille abil reaktsiooni tulemusi usaldusväärselt hinnata“. Väljakutseks oli ka reaktsioonide skaleerimine. “Mehhanokeemilisi sünteese on võimalik läbi viia erinevatel instrumentidel ning reaktsiooni protokolli üleviimine ühest teise ei ole ka samuti iseenesest mõistetav. Samuti ei olnud võimalik juba optimeeritud tingimusi suuremas koguse puhul kasutada“. 

Teadus ei kulge sirgjooneliselt

Doktorantuuri tuli Elina selleks, et süveneda huvitavatesse teaduslikesse probleemidesse ja areneda iseseiva teadlasena. Väga kiiresti sai ta aga aru, et teadustöö ei kulge sirgjooneliselt. „Plaanid võivad kiiresti muutuda, katsed ebaõnnestuda ning mõnikord annavad ootamatud tulemused kõige rohkem infot“, ütleb ta. Teaduses peab ta oluliseks head koostööd, usaldusväärseid andmeid ja head juhendajat. Neile, kes kaaluvad doktorantuuri astumist, soovitab ta kindlasti valida teema, mis päriselt huvi pakub ning mõelda hoolikalt ka juhendaja ja uurimisrühma valikule. „Doktorantuuri jooksul on vaja nii teaduslikku kui ka igapäevast tuge, et saavutada oma eesmärgid“. 

Elina doktoritööga "Mechanochemical Approach to Biotin-containing Hemicucurbiturils" ("Biotiini sisaldavate hemikukurbituriilide mehhanokeemiline süntees") saab tutvuda TalTechi digikogus.