触媒は、おそらく高校の化学の授業以外ではあまり考える人がいないものの1つですが、世界を動かしているのは事実です。 自動車、ポストイット、洗濯洗剤、ビールなど、日常生活におけるほとんどすべてのものが触媒に依存しています。

触媒は私たちの身近にあるものです。

触媒は、おそらく高校の化学の授業以外では、あまり考える人がいないものの1つですが、世界を動かしているのは触媒です。 自動車、ポストイット、洗濯洗剤、ビールなど、日常生活におけるほとんどすべてのものが触媒に依存しています。 自動車、ポストイット、洗濯用洗剤、ビール、サンドイッチのパン、チェダーチーズ、ローストターキーなど、日常生活のあらゆるものが触媒に依存しています。 触媒は、紙パルプを分解して、雑誌のなめらかな紙を作ります。 毎晩、コンタクトレンズをきれいにしてくれる。 牛乳をヨーグルトに変え、石油をプラスチック製のミルクジャグやCD、自転車のヘルメットに変えてくれます。

触媒作用とは？

触媒は、化学反応を開始するのに必要なエネルギー量を減らすことにより、化学反応を加速させます。 触媒は、化学反応を利用して原料を有用な製品に変える、多くの工業プロセスのバックボーンとなっています。 触媒は、プラスチックやその他多くの製造品目を作るのに不可欠です。

人体でさえも触媒で動いています。 体内の多くのタンパク質は、実は酵素と呼ばれる触媒であり、手足を動かす信号の生成から食べ物の消化を助けることまで、あらゆることを行っています。 まさに生命の根源的な部分なのです。

小さなことが大きな結果につながる。

ほとんどの場合、違いを生み出すためには、ほんの少量の触媒が必要です。 触媒の粒子の大きさでさえ、反応の進み方を変えることができます。 昨年、材料科学者のLarry Curtissを含むアルゴンヌのチームは、ある銀の触媒が、わずか数原子幅のナノ粒子であるときに、そのタスクでより優れていることを発見しました。 (この触媒はプロピレンを酸化プロピレンに変えるもので、不凍液などの製造の最初のステップとなる)。

環境に優しいものにすることができる。

プラスチックやその他の必需品の工業的製造工程では、人間の健康や環境に害を及ぼす厄介な副産物がしばしば発生します。 よりよい触媒は、その問題を解決するのに役立ちます。 たとえば、同じ銀の触媒でも、実際に生成される有毒な副産物は少なく、反応全体がより環境にやさしいものとなります。

触媒の本質は、エネルギーを節約する方法なのです。 そして、触媒を大規模に応用することで、世界のエネルギーを大幅に節約することができます。 米国で毎年使われる全エネルギーの3パーセントは、エタンとプロパンを、プラスチックの製造などに使われるアルケンに変換するのに使われています。 これは、5億バレル以上のガソリンに相当します。

触媒もまた、バイオ燃料を解き放つ鍵である。 バイオマスであるトウモロコシ、スイッチグラス、樹木はすべてセルロースという丈夫な化合物を含んでおり、燃料を作るにはこれを分解する必要があります。 セルロースを分解する完璧な触媒が見つかれば、バイオ燃料はより安価になり、再生可能なエネルギー源としてより現実的なものとなる。

多くの場合、なぜそれが機能するのか、私たちには見当がつきません。

触媒が機能する正確な理由は、科学者にとってまだ謎であることが多いのです。 カーティス教授は計算触媒学を研究しており、触媒がどのように作用するかを説明する物理学、化学、数学の複雑な相互作用に取り組むために、コンピュータを使用しています。

一旦プロセスが解明されると、科学者は、異なる材料が代わりにどのように機能するかをシミュレーションすることにより、さらに優れた機能を持つ触媒を作ろうとします。 新しい触媒の潜在的な構成は何千通りにもなるため、スーパーコンピューターはそれを扱うのに最も適しています。

エジソンが電球を作ったとき、炭素化フィラメントを発見する前に、文字通り何百もの異なるフィラメントをテストしました（おそらく実験助手の忍耐力も試されたことでしょう）。 スーパーコンピューターや現代のテクノロジーを活用することで、科学者はブレークスルーに至るまでの長年のテストや出費をスピードアップすることができるのです。

カーティス氏は、アルゴンヌのBlue Gene/Pスーパーコンピューターでシミュレーションを実行し、新しい触媒の可能性を設計しています。 「スーパーコンピュータが高速化したことで、10年前には決してできなかったことができるようになりました」と、彼は言います。

バッテリーの次の大きな革命に不可欠なものになるかもしれません。

新しく効率的なリチウムイオン電池は、不格好な自動車電話を、今日利用できるスリムでエレガントな携帯電話やノートパソコンに変えるのに貢献しました。 しかし、科学者たちはすでに電池の次の革命を求めている。それは、いつの日か自動車を一度に500マイル走らせることができるほど軽くて強力な電池を作ることができるかもしれないということだ。 リチウム空気電池は、空気中の酸素を主成分とする電池で、将来有望なアイデアである。 しかし、この新しい電池は、内部の化学反応を全面的に見直す必要があり、そのためには強力な新しい触媒が必要である。 リチウム空気電池は、リチウム原子と酸素原子を結合させ、それを何度も何度も分解することで動作する。 良い触媒を使えば、反応が速くなり、電池の効率も上がります。

どうやって新しい触媒を作るのですか？

反応の背後にある化学を理解することが最初のステップです。その後、科学者はモデリングを使って新しい触媒の候補を設計し、研究室でテストすることができます。 しかし、この最初のステップは、原子レベルまで降りて、反応中に何が起こっているかを見ることができない限り、難しいのです。 そこで、アルゴンヌのアドバンスト・フォトン・ソース（APS）のような大型の科学施設が注目されているのです。

APSでは、科学者は米国で最も明るいX線を用いて、リアルタイムで反応を追跡することができます。 また、研究所の電子顕微鏡センターでは、反応中の原子の写真を撮ることができます。 カーティス教授とそのチームは、よりよい触媒を探すために、この2つを利用している。