Catalizatorii sunt unul dintre acele lucruri la care puțini oameni se gândesc prea mult, dincolo poate de chimia din liceu, dar care fac lumea să funcționeze. Aproape totul în viața de zi cu zi depinde de catalizatori: mașini, post-it-uri, detergent de rufe, bere.

Catalizatorii sunt peste tot în jurul nostru.

Catalizatorii sunt unul dintre acele lucruri la care puțini oameni se gândesc prea mult, dincolo poate de chimia din liceu, dar ei fac lumea să funcționeze. Aproape totul în viața de zi cu zi depinde de catalizatori: mașini, post-it-uri, detergent de rufe, bere. Toate părțile din sandvișul tău – pâinea, brânza cheddar, curcanul prăjit. Catalizatorii descompun pasta de hârtie pentru a produce hârtia netedă din revista dumneavoastră. Ei vă curăță lentilele de contact în fiecare seară. Ei transformă laptele în iaurt și petrolul în borcane de plastic pentru lapte, CD-uri și căști de bicicletă.

Ce este cataliza?

Catalizatorii accelerează o reacție chimică prin scăderea cantității de energie de care este nevoie pentru a o declanșa. Cataliza este coloana vertebrală a multor procese industriale, care utilizează reacții chimice pentru a transforma materiile prime în produse utile. Catalizatorii sunt parte integrantă în fabricarea materialelor plastice și a multor alte articole fabricate.

Inclusiv corpul uman funcționează pe bază de catalizatori. Multe proteine din corpul dumneavoastră sunt de fapt catalizatori numiți enzime, care fac totul, de la crearea semnalelor care vă mișcă membrele până la a ajuta la digerarea alimentelor. Ele sunt cu adevărat o parte fundamentală a vieții.

Cele mici pot avea rezultate mari.

În cele mai multe cazuri, aveți nevoie doar de o cantitate infimă de catalizator pentru a face o diferență. Chiar și mărimea particulei de catalizator poate schimba modul în care se desfășoară o reacție. Anul trecut, o echipă de la Argonne, inclusiv cercetătorul în domeniul materialelor Larry Curtiss, a descoperit că un catalizator de argint își îndeplinește mai bine sarcina atunci când se află în nanoparticule cu o lățime de doar câțiva atomi. (Catalizatorul transformă propilena în oxizi de propilenă, care este primul pas în fabricarea antigelului și a altor produse).

Acesta poate face lucrurile mai ecologice.

Procesele industriale de fabricare a plasticului și a altor articole esențiale produc adesea subproduse neplăcute care pot prezenta pericole pentru sănătatea umană și pentru mediu. Catalizatori mai buni pot ajuta la rezolvarea acestei probleme. De exemplu, același catalizator de argint produce de fapt mai puțini subproduse toxice, ceea ce face ca întreaga reacție să fie mai ecologică.

În esența sa, un catalizator este o modalitate de a economisi energie. Iar aplicarea catalizatorilor la scară mare ar putea economisi multă energie în lume. Trei la sută din toată energia folosită în SUA în fiecare an se duce în transformarea etanului și propanului în alchene, care sunt folosite pentru a face materiale plastice, printre altele. Aceasta reprezintă echivalentul a peste 500 de milioane de barili de benzină.

Catalizatorii reprezintă, de asemenea, cheia pentru deblocarea biocombustibililor. Toate biomaseleorn, switchgrass, copaciconțin un compus dur numit celuloză, care trebuie descompus pentru a face combustibil. Găsirea catalizatorului perfect pentru dezintegrarea celulozei ar face ca biocombustibilii să fie mai ieftini și mai viabili ca sursă de energie regenerabilă.

De multe ori, nu avem nicio idee de ce funcționează.

Motivele precise pentru care funcționează catalizatorii sunt adesea încă un mister pentru oamenii de știință. Curtiss lucrează în domeniul catalizei computaționale: utilizarea calculatoarelor pentru a aborda interacțiunea complicată dintre fizică, chimie și matematică care explică modul în care funcționează un catalizator.

După ce și-au dat seama de proces, oamenii de știință pot încerca să construiască un catalizator care să funcționeze și mai bine prin simularea modului în care ar putea funcționa în schimb diferite materiale. Configurațiile potențiale pentru noii catalizatori pot ajunge la mii de combinații, motiv pentru care supercalculatoarele sunt cele mai bune pentru a le aborda.

Când Edison a construit becul, a testat literalmente sute de filamente diferite (probabil testând și răbdarea asistenților săi de laborator) înainte de a descoperi filamentul carbonizat. Profitând de supercomputere și de tehnologia modernă, oamenii de știință pot accelera anii de teste și cheltuieli pentru a ajunge la descoperiri.

Curtiss execută simulări pe supercomputerul Blue Gene/P de la Argonne pentru a proiecta posibili noi catalizatori. „Pe măsură ce supercomputerele au devenit mai rapide, am reușit să facem lucruri pe care nu le-am fi putut face niciodată acum 10 ani”, a spus el.

Acestea ar putea fi esențiale pentru următoarea mare revoluție în domeniul bateriilor.

Baterii litiu-ion noi și eficiente au ajutat la transformarea telefoanelor auto greoaie în telefoanele mobile și laptopurile subțiri și elegante disponibile astăzi. Dar oamenii de știință sunt deja în căutarea următoarei revoluții în materie de baterii – una care ar putea într-o zi să facă o baterie suficient de ușoară și de puternică pentru a duce o mașină 800 de kilometri deodată. O idee promițătoare este reprezentată de bateriile litiu-aer, care utilizează oxigenul din aer ca și componentă principală. Dar această nouă baterie va necesita o revizuire totală a chimiei interne și va avea nevoie de un nou catalizator puternic pentru a o face să funcționeze. O baterie litiu-aer funcționează prin combinarea atomilor de litiu și oxigen și apoi prin descompunerea lor, iar și iar. Aceasta este o situație potrivită pentru un catalizator, iar un catalizator bun ar face ca reacția să fie mai rapidă și ca bateria să fie mai eficientă.

Cum se face un nou catalizator?

Înțelegerea chimiei din spatele reacțiilor este primul pas; apoi oamenii de știință pot folosi modelarea pentru a proiecta potențiali catalizatori noi și a-i testa în laborator. Dar acest prim pas este dificil dacă nu se poate coborî la nivel atomic pentru a vedea ce se întâmplă în timpul unei reacții. Aici strălucesc instalațiile științifice mari, cum ar fi Sursa avansată de fotoni (Advanced Photon Source – APS) de la Argonne.

În cadrul APS, oamenii de știință pot folosi cele mai strălucitoare raze X din Statele Unite pentru a urmări reacțiile în timp real. La Centrul de microscopie electronică al laboratorului, cercetătorii fac fotografii ale atomilor în timp ce aceștia reacționează. Curtiss și echipa au folosit ambele metode în căutarea unor catalizatori mai buni.

.