Katalyytit kuuluvat niihin asioihin, joita harva ajattelee paljon, paitsi ehkä lukion kemian tunneilla, mutta ne saavat maailman pyörimään. Lähes kaikki jokapäiväisessä elämässäsi on riippuvainen katalyytteistä: autot, Post-It-laput, pyykinpesuaineet, olut.

Katalyyttejä on kaikkialla ympärillämme.

Katalyytit ovat yksi niistä asioista, joita harva ajattelee paljon, paitsi ehkä lukion kemiassa, mutta ne saavat maailman pyörimään. Lähes kaikki jokapäiväisessä elämässäsi on riippuvainen katalyytteistä: autot, Post-It-laput, pyykinpesuaineet, olut. Kaikki voileipäsi osat – leipä, cheddarjuusto, kalkkunanpaisti – ovat katalyyttejä. Katalyytit hajottavat paperimassaa ja tuottavat lehden sileää paperia. Ne puhdistavat piilolinssisi joka ilta. Ne tekevät maidosta jogurttia ja öljystä muovisia maitokannuja, CD-levyjä ja pyöräilykypäriä.

Mitä katalyysi on?

Katalyytit nopeuttavat kemiallista reaktiota vähentämällä sen käynnistämiseen tarvittavaa energiamäärää. Katalyysi on selkäranka monille teollisille prosesseille, joissa käytetään kemiallisia reaktioita raaka-aineiden muuttamiseksi hyödyllisiksi tuotteiksi. Katalyytit ovat olennainen osa muovien ja monien muiden teollisuustuotteiden valmistusta.

Jopa ihmiskeho toimii katalyyttien avulla. Monet kehossasi olevat proteiinit ovat itse asiassa katalyyttejä, joita kutsutaan entsyymeiksi ja jotka tekevät kaikkea mahdollista aina raajojasi liikuttavien signaalien luomisesta ruoan sulattamisen avustamiseen. Ne ovat todella olennainen osa elämää.

Pienillä asioilla voi olla suuria tuloksia.

Useimmissa tapauksissa tarvitaan vain pieni määrä katalysaattoria saadaksesi aikaan muutoksen. Jopa katalyyttihiukkasen koko voi muuttaa reaktion kulkua. Viime vuonna Argonnen ryhmä, johon kuului myös materiaalitutkija Larry Curtiss, havaitsi, että yksi hopeakatalyytti suoriutuu tehtävästään paremmin, kun se on vain muutaman atomin levyisissä nanohiukkasissa. (Katalyytti muuttaa propyleenin propyleenioksideiksi, mikä on ensimmäinen vaihe pakkasnesteiden ja muiden tuotteiden valmistuksessa.)

Se voi tehdä asioista vihreämpiä.

Muovin ja muiden välttämättömien tavaroiden teolliset valmistusprosessit tuottavat usein ikäviä sivutuotteita, jotka voivat aiheuttaa vaaraa ihmisten terveydelle ja ympäristölle. Paremmat katalyytit voivat auttaa ratkaisemaan tämän ongelman. Esimerkiksi sama hopeakatalyytti tuottaa itse asiassa vähemmän myrkyllisiä sivutuotteita, mikä tekee koko reaktiosta ympäristöystävällisemmän.

Katalyytti on pohjimmiltaan tapa säästää energiaa. Ja katalyyttien soveltaminen suuressa mittakaavassa voisi säästää maailmalle paljon energiaa. Kolme prosenttia kaikesta Yhdysvalloissa vuosittain käytetystä energiasta menee etaanin ja propaanin muuntamiseen alkeeniksi, joita käytetään muun muassa muovien valmistukseen. Tämä vastaa yli 500 miljoonaa tynnyriä bensiiniä.

Katalyytit ovat myös avain biopolttoaineiden vapauttamiseen. Kaikki biomassatjokainen maissi, ruohonjuuri ja puut sisältävät sitkeää yhdistettä nimeltä selluloosa, joka on hajotettava polttoaineen valmistamiseksi. Täydellisen katalyytin löytäminen selluloosan hajottamiseen tekisi biopolttoaineista halvempia ja käyttökelpoisempia uusiutuvana energialähteenä.

Usein meillä ei ole aavistustakaan, miksi ne toimivat.

Katalyyttien toiminnan tarkat syyt ovat usein vielä mysteeri tutkijoille. Curtiss työskentelee laskennallisen katalyysin parissa: tietokoneiden avulla selvitetään fysiikan, kemian ja matematiikan monimutkaista yhteispeliä, joka selittää katalyytin toiminnan.

Kun he ovat selvittäneet prosessin, tutkijat voivat yrittää rakentaa katalyytin, joka toimii vielä paremmin, simuloimalla, miten eri materiaalit sen sijaan voisivat toimia. Uusien katalyyttien mahdollisia kokoonpanoja voi olla tuhansia yhdistelmiä, minkä vuoksi supertietokoneet ovat parhaita käsittelemään niitä.

Kun Edison rakensi hehkulamppua, hän testasi kirjaimellisesti satoja erilaisia hehkulankoja (todennäköisesti koetellen myös laboratorioapulaistensa kärsivällisyyttä), ennen kuin löysi hiiltyneen hehkulangan. Hyödyntämällä supertietokoneita ja nykyaikaista teknologiaa tiedemiehet voivat nopeuttaa vuosien testausta ja kuluja läpimurtoon pääsemiseksi.

Curtiss suorittaa simulaatioita Argonnen Blue Gene/P-supertietokoneella suunnitellakseen mahdollisia uusia katalyyttejä. ”Kun supertietokoneet ovat nopeutuneet, olemme pystyneet tekemään asioita, joita emme olisi pystyneet tekemään 10 vuotta sitten”, hän sanoi.

Ne voivat olla välttämättömiä akkujen seuraavan suuren vallankumouksen kannalta.

Uudet tehokkaat litiumioniakut auttoivat muuttamaan kömpelöt autopuhelimet nykyisin saatavilla oleviksi ohuiksi ja tyylikkäiksi matkapuhelimiksi ja kannettaviksi tietokoneiksi. Tutkijat etsivät kuitenkin jo seuraavaa akkujen vallankumousta, joka voisi jonain päivänä tehdä akusta niin kevyen ja tehokkaan, että se riittäisi auton kuljettamiseen 500 kilometriä kerrallaan. Eräs lupaava ajatus on litium-ilma-akut, joiden pääkomponenttina käytetään ilmasta saatavaa happea. Tämä uusi akku edellyttää kuitenkin sisäisen kemian täydellistä uudistamista, ja se tarvitsee tehokkaan uuden katalyytin, jotta se toimisi. Litium-ilma-akku toimii yhdistämällä litium- ja happiatomeja ja hajottamalla ne sitten uudelleen ja uudelleen. Tämä on kuin tehty katalyytille, ja hyvä katalyytti nopeuttaisi reaktiota ja tehostaisi akun toimintaa.

Miten tehdään uusi katalyytti?

Reaktioiden taustalla olevan kemian ymmärtäminen on ensimmäinen askel; sen jälkeen tutkijat voivat mallintamisen avulla suunnitella mahdollisia uusia katalyyttejä ja testata niitä laboratoriossa. Mutta tämä ensimmäinen askel on vaikea, ellei päästä atomitasolle asti näkemään, mitä reaktion aikana tapahtuu. Tässä Argonnen kehittyneen fotonilähteen (Advanced Photon Source, APS) kaltaiset suuret tieteelliset laitokset loistavat.

APS:ssä tutkijat voivat käyttää Yhdysvaltojen kirkkaimpia röntgensäteitä reaktioiden seuraamiseen reaaliajassa. Laboratorion elektronimikroskopiakeskuksessa tutkijat ottavat valokuvia atomeista niiden reagoidessa. Curtiss ja työryhmä ovat käyttäneet näitä molempia etsiessään parempia katalyyttejä.