Katalysatorer är en av de saker som få människor tänker särskilt mycket på, förutom kanske i gymnasiets kemi, men de får världen att fungera. Nästan allt i ditt dagliga liv är beroende av katalysatorer: bilar, post-it-lappar, tvättmedel, öl.

Katalysatorer finns överallt omkring oss.

Katalysatorer är en av de saker som få människor tänker särskilt mycket på, förutom kanske i gymnasiets kemi, men de får världen att fungera. Nästan allt i ditt dagliga liv är beroende av katalysatorer: bilar, post-it-lappar, tvättmedel, öl. Alla delar i din smörgåsbröd, cheddarost, stekt kalkon. Katalysatorer bryter ner pappersmassa för att producera det släta pappret i din tidning. De rengör dina kontaktlinser varje kväll. De förvandlar mjölk till yoghurt och petroleum till mjölkkannor av plast, CD-skivor och cykelhjälmar.

Vad är katalys?

Katalysatorer påskyndar en kemisk reaktion genom att minska den energimängd som behövs för att få igång den. Katalys är ryggraden i många industriella processer, som använder kemiska reaktioner för att omvandla råmaterial till användbara produkter. Katalysatorer är en integrerad del av tillverkningen av plast och många andra tillverkade produkter.

Även människokroppen drivs av katalysatorer. Många proteiner i din kropp är faktiskt katalysatorer som kallas enzymer, som gör allt från att skapa signaler som förflyttar dina lemmar till att hjälpa till att smälta din mat. De är verkligen en grundläggande del av livet.

Små saker kan ge stora resultat.

I de flesta fall behöver du bara en liten mängd av en katalysator för att göra skillnad. Till och med storleken på katalysatorpartikeln kan förändra hur en reaktion går till. Förra året fann ett Argonne-team med bland annat materialforskaren Larry Curtiss att en silverkatalysator är bättre på sin uppgift när den finns i nanopartiklar som bara är några få atomer breda. (Katalysatorn omvandlar propylen till propylenoxider, vilket är det första steget i tillverkningen av frostskyddsmedel och andra produkter).

Det kan göra saker grönare.

Industriella tillverkningsprocesser för plast och andra viktiga produkter ger ofta upphov till otäcka biprodukter som kan utgöra en fara för människors hälsa och miljön. Bättre katalysatorer kan bidra till att lösa det problemet. Till exempel producerar samma silverkatalysator faktiskt färre giftiga biprodukter, vilket gör hela reaktionen mer miljövänlig.

En katalysator är i grunden ett sätt att spara energi. Och om man tillämpar katalysatorer i stor skala kan världen spara mycket energi. Tre procent av all energi som används i USA varje år går till att omvandla etan och propan till alkener, som bland annat används för att tillverka plast. Det motsvarar mer än 500 miljoner fat bensin.

Katalysatorer är också nyckeln till att frigöra biobränslen. All biomassa – majs, gräs, träd – innehåller en seg förening som kallas cellulosa och som måste brytas ner för att man ska kunna framställa bränsle. Att hitta den perfekta katalysatorn för att sönderdela cellulosa skulle göra biobränslen billigare och mer gångbara som en förnybar energikälla.

Ofta har vi ingen aning om varför de fungerar.

De exakta orsakerna till varför katalysatorer fungerar är ofta fortfarande ett mysterium för forskarna. Curtiss arbetar med beräkningskatalys: med hjälp av datorer kan man ta itu med det komplicerade samspelet mellan fysik, kemi och matematik som förklarar hur en katalysator fungerar.

När de väl har listat ut processen kan forskarna försöka bygga en katalysator som fungerar ännu bättre genom att simulera hur olika material kan fungera i stället. Potentiella konfigurationer för nya katalysatorer kan uppgå till tusentals kombinationer, vilket är anledningen till att superdatorer är bäst på att hantera dem.

När Edison byggde glödlampan testade han bokstavligen hundratals olika glödtrådar (troligen testade han också tålamodet hos sina laboratorieassistenter) innan han upptäckte den kolade glödtråden. Genom att dra nytta av superdatorer och modern teknik kan forskarna påskynda de år av tester och kostnader som krävs för att nå fram till ett genombrott.

Curtiss kör simuleringar på Argonnes Blue Gene/P superdator för att utforma möjliga nya katalysatorer. ”I takt med att superdatorerna har blivit snabbare har vi kunnat göra saker som vi aldrig skulle ha kunnat göra för tio år sedan”, säger han.

De kan vara avgörande för nästa stora revolution inom batterier.

Nya effektiva litiumjonbatterier bidrog till att förvandla klumpiga biltelefoner till de tunna, eleganta mobiltelefoner och bärbara datorer som finns tillgängliga idag. Men forskarna letar redan efter nästa batterirevolution – en som en dag skulle kunna göra ett batteri tillräckligt lätt och kraftfullt för att ta en bil 500 mil i taget. En lovande idé är litium-luft-batterier, som använder syre från luften som huvudkomponent. Men detta nya batteri kommer att kräva en total omläggning av den interna kemin, och det kommer att krävas en ny kraftfull katalysator för att få det att fungera. Ett litium-luft-batteri fungerar genom att kombinera litium- och syreatomer och sedan bryta isär dem, om och om igen. Det är en situation som är skräddarsydd för en katalysator, och en bra katalysator skulle göra reaktionen snabbare och göra batteriet effektivare.

Hur tillverkar man en ny katalysator?

Förståelsen av kemin bakom reaktionerna är det första steget; sedan kan forskarna använda modellering för att utforma potentiella nya katalysatorer och låta dem testas i laboratoriet. Men det första steget är svårt om man inte kan komma ner till atomnivå för att se vad som händer under en reaktion. Det är här som stora vetenskapliga anläggningar som Argonnes Advanced Photon Source (APS) briljerar.

I APS kan forskarna använda den ljusaste röntgenstrålningen i USA för att följa reaktionerna i realtid. Vid laboratoriets elektronmikroskopicentrum tar forskarna bilder av atomerna medan de reagerar. Curtiss och teamet har använt båda dessa i sitt sökande efter bättre katalysatorer.