دانشمندان بر این باورند که ترکیبات شیمیایی کشف‌نشده می‌تواند به حذف گاز‌های گلخانه‌ای کمک کند یا مانند پنی‌سیلین باعث پیشرفت پزشکی شود.

اما اجازه دهید ابتدا این موضوع را مطرح کنیم که این به این معنا نیست که شیمیدان‌ها کنجکاو و فعال نیستند. از زمانی که دیمیتری مندلیف شیمیدان روسی جدول تناوبی عناصر را در سال ۱۸۶۹ اختراع کرد، دانشمندان مواد شیمیایی را کشف کرده‌اند که به تعریف دنیای مدرن کمک کرده است.

ما به همجوشی هسته‌ای (شلیک اتم‌ها به سمت یکدیگر با سرعت نور) نیاز داشتیم تا آخرین مشت عناصر را بسازیم. عنصر ۱۱۷ام به نام تنسین (tennessine) در سال ۲۰۱۰ به این روش ترکیب و یافت شد.

اما برای درک مقیاس کامل جهان شیمیایی، باید ترکیبات شیمیایی را نیز بشناسیم. برخی از آن‌ها به طور طبیعی شکل می‌گیرند مثل آب که از عناصر هیدروژن و اکسیژن ساخته شده است. برخی دیگر مانند نایلون در آزمایشات آزمایشگاهی کشف شده‌اند و در کارخانه‌ها تولید می‌شوند.

عناصر از یک نوع اتم ساخته شده‌اند و اتم‌ها از ذرات ریزتر از جمله الکترون‌ها و پروتون‌ها ساخته شده‌اند. در حالی که تمام ترکیبات شیمیایی از دو یا چند اتم ساخته شده‌اند.

دانشمندان می‌گویند اگرچه امکان یافتن عناصر کشف نشده هنوز وجود دارد، اما بعید است؛ بنابراین چند ترکیب شیمیایی می‌توانیم با ۱۱۸ نوع مختلف از عناصر موجود در جدول تناوبی که در حال حاضر می‌شناسیم، بسازیم؟

ما می‌توانیم با ساختن تمام ترکیبات دو اتمی شروع کنیم. موارد زیادی وجود دارند نظیر N ۲ (نیتروژن) و O ۲ (اکسیژن) که با هم ۹۹ درصد هوای ما را تشکیل می‌دهند.

احتمالاً حدود یک سال طول می‌کشد تا یک شیمیدان یک ترکیب بسازد. در حالی که از لحاظ نظری ۶۹۰۳ ترکیب دو اتمی وجود دارد.

محاسبات به ما می‌گوید که حدود ۱.۶ میلیون ترکیب سه اتمی مانند H ۲ O (آب) و CO ۲ (کربن دی اکسید) وجود دارد.

هنگامی که به ترکیبات چهار و پنج اتمی می‌رسیم، به همه افراد روی زمین نیاز داریم تا هر کدام سه ترکیب بسازند. ما برای ساخت همه‌ی این ترکیبات شیمیایی همچنین باید همه مواد موجود در کیهان را چندین بار بازیافت کنیم.

ضمن اینکه ساخت این ترکیبات، فرآیند ساده‌ای نیست و مواردی مانند ساختار یک ترکیب و پایداری آن می‌تواند ساخت آن را پیچیده‌تر و دشوارتر کند.

بزرگترین ترکیب شیمیایی که تاکنون ساخته شده، در سال ۲۰۰۹ ساخته شده است و نزدیک به ۳ میلیون اتم دارد. ما هنوز مطمئن نیستیم که این ترکیب چه کاری انجام می‌دهد، اما از ترکیبات مشابه برای محافظت از دارو‌های سرطان در بدن تا زمانی که به مکان مناسب برسند، استفاده می‌شود.

شیمی قوانین خاص خود را دارد و مطمئناً ایجاد هر ترکیب دلخواه ممکن نیست. از طرفی درست است که قوانینی وجود دارد، اما آن‌ها به نوعی منعطف هستند و امکانات زیادی را برای ترکیبات شیمیایی ایجاد می‌کنند. حتی گاز‌های نجیب منفرد از جمله نئون، آرگون و زنون و هلیوم نیز که تمایل به اتصال به چیزی ندارند، گاهی اوقات ترکیباتی را تشکیل می‌دهند. به عنوان مثال آرگون هیدرید (+ArH) به طور طبیعی در زمین وجود ندارد، اما در فضا یافت شده است.

دانشمندان توانسته‌اند نسخه‌های مصنوعی را در آزمایشگاه‌هایی بسازند که شرایط اعماق فضا را تقلید می‌کنند؛ بنابراین اگر محیط‌های خشن را در محاسبات خود لحاظ کنید، تعداد ترکیبات احتمالی افزایش می‌یابد.

کربن معمولاً دوست دارد به یک تا چهار اتم دیگر متصل شود، اما گاهی اوقات، برای مدت کوتاهی اتصال به پنج اتم نیز برای آن ممکن است. برای تصور آن اتوبوسی را با حداکثر ظرفیت چهار نفر تصور کنید در حالی که این اتوبوس در ایستگاه است و مردم سوار و پیاده می‌شوند. در این حالت گاهی پیش می‌آید که برای مدتی کوتاه بیش از چهار نفر در اتوبوس حضور داشته باشند.

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

سوال دیگری که دانشمندان باید با آن دست و پنجه نرم کنند این است که آیا ترکیب مورد نظر آن‌ها فقط در فضا یا محیط‌های خشن می‌تواند وجود داشته باشد؟ به گرما و فشار بسیار زیاد موجود در چاه‌های گرمابی که مانند آبفشان‌ها، اما در کف اقیانوس‌ها هستند، فکر کنید.

دانشمندان چگونه به دنبال ترکیبات جدید هستند؟

اغلب پاسخ این است که به دنبال ترکیباتی بگردید که با ترکیباتی که قبلاً شناخته شده‌اند، مرتبط باشند.

دو راه اصلی برای انجام این کار وجود دارد. یکی گرفتن یک ترکیب شناخته شده و کمی تغییر دادن آن با افزودن، حذف یا مبادله چند اتم است. دیگری گرفتن یک واکنش شیمیایی شناخته شده و استفاده از مواد اولیه جدید است. این یعنی زمانی که روش ایجاد یکسان است، اما ممکن است محصولات کاملاً متفاوت باشند.

هر دوی این روش‌ها راه‌هایی برای جستجوی مجهولات شناخته شده هستند. این مانند ساخت یک خانه با آجر‌های کمی متفاوت یا خرید آجر‌های جدید و اضافه کردن یک طبقه دیگر به ساختمان است. بسیاری از شیمیدانان عمر خود را صرف کاوش در یکی از این خانه‌های شیمیایی می‌کنند.

چگونه می‌توانیم شیمی واقعاً جدید یا همان مجهولات ناشناخته را جستجو کنیم؟

یکی از راه‌هایی که شیمیدانان در مورد ترکیبات جدید انجام می‌دهند، نگاه کردن به جهان طبیعی است. پنی‌سیلین در سال ۱۹۲۸ به این شکل یافت شد، زمانی که الکساندر فلمینگ مشاهده کرد که کپک در ظروف آزمایشگاهی او از رشد باکتری‌ها جلوگیری می‌کنند.

بیش از یک دهه بعد در سال ۱۹۳۹، هاوارد فلوری چگونگی رشد پنی‌سیلین را در مقادیر مفید، همچنان با استفاده از کپک کار کرد. اما تا سال ۱۹۴۵ طول کشید تا دوروتی کروفوت هوچکین ساختار شیمیایی پنی‌سیلین را شناسایی کند.

این مهم است، زیرا بخشی از ساختار پنی‌سیلین حاوی اتم‌هایی است که در یک شکل مربعی قرار گرفته‌اند و یک آرایش شیمیایی غیرعادی دارد که تعداد کمی از شیمیدان‌ها حدس می‌زدند و ساختن آن دشوار است.

درک ساختار پنی‌سیلین به این معنی بود که فهمیدیم چه شکلی است و می‌توانستیم پسرعمو‌های شیمیایی آن را جستجو کنیم. اگر به پنی‌سیلین حساسیت دارید و به آنتی‌بیوتیک جایگزین نیاز دارید، باید از کروفوت هوچکین تشکر کنید.

امروزه تعیین ساختار ترکیبات جدید بسیار آسان‌تر است. تکنیک اشعه ایکس که کروفوت هوچکین در راه شناسایی ساختار پنی‌سیلین ابداع کرد، هنوز در سراسر جهان برای مطالعه ترکیبات استفاده می‌شود. از همین روش برای تصویربرداری MRI در بیمارستان‌ها برای تشخیص بیماری استفاده می‌شود و با آن می‌توان از ترکیبات شیمیایی به منظور بررسی ساختار آن‌ها استفاده کرد.

اما حتی اگر یک شیمیدان ساختار کاملاً جدیدی را حدس بزند که با هیچ ترکیب شناخته شده در زمین ارتباط نداشته باشد، باز هم باید آن را بسازد که قسمت سخت ماجراست. فهمیدن اینکه یک ترکیب شیمیایی ممکن است وجود داشته باشد، به شما نمی‌گوید که ساختار آن چگونه است یا برای ساختن آن به چه شرایطی نیاز دارید.

برای بسیاری از ترکیبات مفید، مانند پنی‌سیلین، رشد و پرورش و استخراج آن‌ها از کپک‌ها، گیاهان یا حشرات، روشی آسان‌تر و ارزان‌تر است؛ بنابراین دانشمندانی که در جست‌وجوی شیمی جدید هستند، هنوز اغلب در کوچک‌ترین نقاط جهان پیرامون خود به دنبال الهام از طبیعت هستند.