I catalizzatori sono una di quelle cose a cui poche persone pensano molto, oltre forse alla chimica del liceo, ma fanno girare il mondo. Quasi tutto nella tua vita quotidiana dipende dai catalizzatori: auto, Post-It, detersivo per il bucato, birra.

I catalizzatori sono tutti intorno a noi.

I catalizzatori sono una di quelle cose a cui poche persone pensano molto, oltre forse alla chimica del liceo, ma fanno girare il mondo. Quasi tutto nella tua vita quotidiana dipende dai catalizzatori: le automobili, i Post-It, il detersivo per il bucato, la birra. Tutte le parti del tuo panino, il formaggio cheddar, il tacchino arrosto. I catalizzatori scompongono la pasta di carta per produrre la carta liscia della tua rivista. Puliscono le tue lenti a contatto ogni sera. Trasformano il latte in yogurt e il petrolio in brocche di plastica, CD e caschi da bicicletta.

Che cos’è la catalisi?

I catalizzatori accelerano una reazione chimica abbassando la quantità di energia necessaria per farla partire. La catalisi è la spina dorsale di molti processi industriali, che utilizzano reazioni chimiche per trasformare le materie prime in prodotti utili. I catalizzatori sono parte integrante della fabbricazione della plastica e di molti altri manufatti.

Anche il corpo umano funziona con i catalizzatori. Molte proteine nel tuo corpo sono in realtà catalizzatori chiamati enzimi, che fanno di tutto, dalla creazione di segnali che muovono gli arti all’aiutare a digerire il cibo. Sono davvero una parte fondamentale della vita.

Piccole cose possono avere grandi risultati.

Nella maggior parte dei casi, è sufficiente una piccola quantità di un catalizzatore per fare la differenza. Anche la dimensione della particella di catalizzatore può cambiare il modo in cui una reazione viene eseguita. L’anno scorso, un team di Argonne che includeva lo scienziato dei materiali Larry Curtiss ha scoperto che un catalizzatore d’argento è migliore nel suo compito quando è in nanoparticelle larghe solo pochi atomi. (Il catalizzatore trasforma il propilene in ossidi di propilene, che è il primo passo nella produzione di antigelo e altri prodotti).

Può rendere le cose più verdi.

I processi di produzione industriale per la plastica e altri articoli essenziali spesso producono brutti sottoprodotti che possono rappresentare un pericolo per la salute umana e l’ambiente. Catalizzatori migliori possono aiutare a risolvere questo problema. Per esempio, lo stesso catalizzatore d’argento produce effettivamente meno sottoprodotti tossici, rendendo l’intera reazione più ecologica.

In fondo, un catalizzatore è un modo per risparmiare energia. E l’applicazione dei catalizzatori su larga scala potrebbe far risparmiare al mondo un sacco di energia. Il tre per cento di tutta l’energia utilizzata negli Stati Uniti ogni anno va nella conversione di etano e propano in alcheni, che vengono utilizzati per fare la plastica, tra le altre cose. Questo è l’equivalente di più di 500 milioni di barili di benzina.

I catalizzatori sono anche la chiave per sbloccare i biocarburanti. Tutte le biomasse, come il mais, la switchgrass e gli alberi, contengono un composto duro chiamato cellulosa, che deve essere scisso per fare carburante. Trovare il catalizzatore perfetto per disintegrare la cellulosa renderebbe i biocarburanti più economici e più praticabili come fonte di energia rinnovabile.

Spesso non abbiamo idea del perché funzionino.

Le ragioni precise per cui i catalizzatori funzionano sono spesso ancora un mistero per gli scienziati. Curtiss lavora nella catalisi computazionale: usando i computer per affrontare la complicata interazione di fisica, chimica e matematica che spiega come funziona un catalizzatore.

Una volta che hanno capito il processo, gli scienziati possono provare a costruire un catalizzatore che funzioni ancora meglio simulando come potrebbero funzionare diversi materiali. Le potenziali configurazioni per i nuovi catalizzatori possono arrivare a migliaia di combinazioni, ed è per questo che i supercomputer sono i migliori per affrontarle.

Quando Edison stava costruendo la lampadina, ha testato letteralmente centinaia di filamenti diversi (probabilmente mettendo alla prova anche la pazienza dei suoi assistenti di laboratorio) prima di scoprire il filamento carbonizzato. Sfruttando i supercomputer e la tecnologia moderna, gli scienziati possono accelerare gli anni di test e le spese per arrivare alle scoperte.

Curtiss esegue simulazioni sul supercomputer Blue Gene/P di Argonne per progettare possibili nuovi catalizzatori. “Poiché i supercomputer sono diventati più veloci, siamo stati in grado di fare cose che non avremmo mai potuto fare 10 anni fa”, ha detto.

Potrebbero essere essenziali per la prossima grande rivoluzione nelle batterie.

Batterie agli ioni di litio di nuova efficienza hanno aiutato a trasformare i goffi telefoni per auto nei sottili ed eleganti telefoni cellulari e computer portatili disponibili oggi. Ma gli scienziati sono già alla ricerca della prossima rivoluzione nelle batterie, una che potrebbe un giorno rendere una batteria leggera e abbastanza potente da portare un’auto a 500 miglia alla volta. Un’idea promettente è quella delle batterie litio-aria, che usano l’ossigeno dell’aria come componente principale. Ma questa nuova batteria richiederà di rinnovare totalmente la chimica interna, e avrà bisogno di un nuovo potente catalizzatore per farla funzionare. Una batteria litio-aria funziona combinando atomi di litio e ossigeno e poi rompendoli, più e più volte. Questa è una situazione fatta su misura per un catalizzatore, e uno buono renderebbe la reazione più veloce e la batteria più efficiente.

Come si fa un nuovo catalizzatore?

Comprendere la chimica dietro le reazioni è il primo passo; poi gli scienziati possono usare la modellazione per progettare potenziali nuovi catalizzatori e farli testare in laboratorio. Ma questo primo passo è difficile a meno che non si possa scendere a livello atomico per vedere cosa succede durante una reazione. È qui che brillano le grandi strutture scientifiche come l’Advanced Photon Source (APS) di Argonne.

Al APS, gli scienziati possono usare i raggi X più brillanti degli Stati Uniti per seguire le reazioni in tempo reale. Al Centro di microscopia elettronica del laboratorio, i ricercatori scattano foto degli atomi mentre reagiscono. Curtiss e il team hanno usato entrambi nella loro ricerca di catalizzatori migliori.