Catalisadores são uma daquelas coisas em que poucas pessoas pensam muito, além talvez da química do ensino médio, mas fazem o mundo funcionar. Quase tudo na sua vida diária depende de catalisadores: carros, notas Post-It, detergente de roupa, cerveja.

Catalisadores estão à nossa volta.

Os catalisadores são uma daquelas coisas em que poucas pessoas pensam muito, para além talvez da química do liceu, mas fazem o mundo funcionar. Quase tudo na sua vida diária depende de catalisadores: carros, notas Post-It, detergente de roupa, cerveja. Todas as partes do seu sandwichbread, queijo cheddar, peru assado. Os catalisadores decompõem a polpa de papel para produzir o papel liso da sua revista. Eles limpam as suas lentes de contacto todas as noites. Transformam leite em iogurte e petróleo em jarras de leite de plástico, CDs e capacetes de bicicleta.

O que é a catálise?

Catalisadores aceleram uma reacção química, baixando a quantidade de energia que precisa para começar uma. A catálise é a espinha dorsal de muitos processos industriais, que utilizam reacções químicas para transformar matérias primas em produtos úteis. Os catalisadores são parte integrante do fabrico de plásticos e de muitos outros artigos manufacturados.

O corpo humano funciona com catalisadores. Muitas proteínas no seu corpo são na verdade catalisadores chamados enzimas, que fazem tudo desde criar sinais que movem seus membros até ajudar a digerir seus alimentos. Elas são realmente uma parte fundamental da vida.

As pequenas coisas podem ter grandes resultados.

Na maioria dos casos, é preciso apenas uma pequena quantidade de um catalisador para fazer a diferença. Mesmo o tamanho da partícula do catalisador pode mudar a forma como uma reacção corre. No ano passado, uma equipe da Argonne, incluindo o cientista de materiais Larry Curtiss, descobriu que um catalisador de prata é melhor em sua tarefa quando está em nanopartículas com apenas alguns átomos de largura. (O catalisador transforma o propileno em óxidos de propileno, que é o primeiro passo na fabricação de anticongelantes e outros produtos).

Pode tornar as coisas mais verdes.

Processos industriais de fabricação de plásticos e outros itens essenciais muitas vezes produzem subprodutos desagradáveis que podem representar riscos para a saúde humana e o meio ambiente. Melhores catalisadores podem ajudar a resolver esse problema. Por exemplo, o mesmo catalisador de prata na verdade produz menos subprodutos tóxicos, tornando toda a reação mais amigável ao meio ambiente.

No seu coração, um catalisador é uma forma de poupar energia. E aplicar catalisadores em grande escala pode poupar muita energia ao mundo. Três por cento de toda a energia utilizada nos Estados Unidos todos os anos vai para a conversão de etano e propano em alcenos, que são usados para fazer plásticos, entre outras coisas. Isso é o equivalente a mais de 500 milhões de barris de gasolina.

Catalisadores também são a chave para desbloquear os biocombustíveis. Todos os biomasscorn, switchgrass, árvores contêm um composto duro chamado celulose, que tem de ser decomposto para fazer combustível. Encontrar o catalisador perfeito para desintegrar a celulose tornaria os biocombustíveis mais baratos e mais viáveis como uma fonte de energia renovável.

Amiúde, não temos idéia do porquê eles funcionam.

As razões precisas pelas quais os catalisadores funcionam ainda são muitas vezes um mistério para os cientistas. Curtiss trabalha em catálise computacional: usando computadores para lidar com a complicada interação da física, química e matemática que explica como um catalisador funciona.

Após terem descoberto o processo, os cientistas podem tentar construir um catalisador que funcione ainda melhor, simulando como diferentes materiais podem funcionar em seu lugar. Configurações potenciais para novos catalisadores podem funcionar com milhares de combinações, e é por isso que os supercomputadores são os melhores para lidar com eles.

Quando Edison estava construindo a lâmpada, ele testou literalmente centenas de filamentos diferentes (provavelmente testando a paciência de seus assistentes de laboratório também) antes de descobrir o filamento carbonizado. Aproveitando os supercomputadores e a tecnologia moderna, os cientistas podem acelerar os anos de testes e despesas para chegar a descobertas.

Curtiss executa simulações no Supercomputador Gene/P Azul de Argonne para projetar possíveis novos catalisadores. “Como os supercomputadores ficaram mais rápidos, nós fomos capazes de fazer coisas que nunca teríamos sido capazes de fazer há 10 anos”, disse ele.

Poderiam ser essenciais para a próxima grande revolução em baterias.

As baterias de iões de lítio recém-eficientes ajudaram a transformar os telemóveis de carro desajeitados nos elegantes e finos telemóveis e computadores portáteis disponíveis hoje em dia. Mas os cientistas já estão procurando a próxima revolução em baterias – uma bateria que um dia poderia fazer uma bateria leve e potente o suficiente para levar um carro a 500 milhas de uma vez. Uma idéia promissora são as baterias de lítio-ar, que utilizam o oxigênio do ar como componente primário. Mas esta nova bateria vai exigir uma renovação total da química interna, e vai precisar de um novo catalisador potente para que funcione. Uma bateria de lítio-ar funciona combinando átomos de lítio-ar e oxigénio e depois quebrando-os, uma e outra vez. Essa é uma situação feita sob medida para um catalisador, e uma boa situação tornaria a reação mais rápida e tornaria a bateria mais eficiente.

Como se faz um novo catalisador?

A compreensão da química por trás das reacções é o primeiro passo; depois os cientistas podem usar a modelagem para desenhar novos potenciais catalisadores e tê-los testados no laboratório. Mas esse primeiro passo é difícil, a menos que você possa descer ao nível atômico para ver o que está acontecendo durante uma reação. É aqui que grandes instalações científicas como a Fonte Avançada de Fótons de Argonne (APS) brilham.

Na APS, os cientistas podem usar os raios X mais brilhantes dos Estados Unidos para rastrear as reações em tempo real. No Centro de Microscopia Eletrônica do laboratório, os pesquisadores tiram fotos dos átomos enquanto reagem. Curtiss e a equipe têm usado ambos em sua busca por melhores catalisadores.