casi todo en su vida diaria depende de catalizadores: automóviles, notas Post-It, detergente para ropa, cerveza. Todas las partes de tu sándwich—pan, queso cheddar, pavo asado., Los catalizadores descomponen la pulpa de papel para producir el papel liso en su revista. Limpian tus lentes de contacto Todas las noches. Convierten la leche en yogur y el petróleo en jarras de leche de plástico, CD y cascos de bicicleta.
¿qué es la catálisis?
los catalizadores aceleran una reacción química al reducir la cantidad de energía que necesita para poner en marcha una. La catálisis es la columna vertebral de muchos procesos industriales, que utilizan reacciones químicas para convertir las materias primas en productos útiles. Los catalizadores son integrales en la fabricación de plásticos y muchos otros artículos manufacturados.
incluso el cuerpo humano funciona con catalizadores., Muchas proteínas en su cuerpo son en realidad catalizadores llamados enzimas, que hacen de todo, desde crear señales que mueven sus extremidades hasta ayudar a digerir sus alimentos. Son verdaderamente una parte fundamental de la vida.
las cosas pequeñas pueden tener grandes resultados.
en la mayoría de los casos, solo necesita una pequeña cantidad de un catalizador para marcar la diferencia. Incluso el tamaño de la partícula del catalizador puede cambiar la forma en que se ejecuta una reacción. El año pasado, un equipo de Argonne que incluía al científico de materiales Larry Curtiss descubrió que un catalizador de plata es mejor en su tarea cuando está en nanopartículas de unos pocos átomos de ancho., (El catalizador convierte el propileno en óxidos de propileno, que es el primer paso en la fabricación de anticongelante y otros productos.)
puede hacer las cosas más verdes.
los procesos industriales de fabricación de plástico y otros artículos esenciales a menudo producen subproductos desagradables que pueden representar peligros para la salud humana y el medio ambiente. Mejores catalizadores pueden ayudar a resolver ese problema. Por ejemplo, el mismo catalizador de plata en realidad produce menos subproductos tóxicos, lo que hace que toda la reacción sea más ecológica.
en su esencia, un catalizador es una forma de ahorrar energía., Y aplicar catalizadores a gran escala podría ahorrarle al mundo mucha energía. El tres por ciento de toda la energía utilizada en los Estados Unidos cada año se destina a convertir etano y propano en alquenos, que se utilizan para fabricar plásticos, entre otras cosas. Es el equivalente a más de 500 millones de barriles de gasolina.
los catalizadores también son la clave para desbloquear los biocombustibles. Toda la biomasa-maíz, pasto interruptor, árboles-contiene un compuesto duro llamado celulosa, que tiene que ser descompuesto para hacer combustible., Encontrar el catalizador perfecto para desintegrar la celulosa haría que los biocombustibles fueran más baratos y viables como fuente de energía renovable.
a menudo, no tenemos idea de por qué funcionan.
Las razones precisas por las que los catalizadores funcionan a menudo siguen siendo un misterio para los científicos., Curtiss trabaja en la catálisis computacional: el uso de computadoras para abordar la complicada interacción de la física, la química y las matemáticas que explica cómo funciona un catalizador.
una vez que hayan descubierto el proceso, los científicos pueden intentar construir un catalizador que funcione aún mejor simulando cómo podrían funcionar los diferentes materiales. Las configuraciones potenciales para nuevos catalizadores pueden llegar a miles de combinaciones, por lo que los supercomputadores son los mejores para lidiar con ellas.,
Cuando Edison estaba construyendo la bombilla, probó literalmente cientos de filamentos diferentes (probablemente probando la paciencia de sus asistentes de laboratorio también) antes de descubrir el filamento carbonizado. Al aprovechar las supercomputadoras y la tecnología moderna, los científicos pueden acelerar los años de pruebas y gastos para lograr avances.
Curtiss ejecuta simulaciones en la supercomputadora Blue Gene/P de Argonne para diseñar posibles nuevos catalizadores. «A medida que las supercomputadoras se han vuelto más rápidas, hemos podido hacer cosas que nunca hubiéramos podido hacer hace 10 años», dijo.,
podrían ser esenciales para la próxima gran revolución en baterías.
las nuevas y eficientes baterías de iones de litio ayudaron a convertir los torpes teléfonos de automóviles en los delgados y elegantes teléfonos celulares y computadoras portátiles disponibles en la actualidad. Pero los científicos ya están buscando la próxima revolución en las baterías, una que algún día podría hacer que una batería sea lo suficientemente ligera y potente como para llevar un automóvil a 500 millas de una vez. Una idea prometedora son las baterías de litio-aire, que utilizan el oxígeno del aire como componente principal., Pero esta nueva batería requerirá una renovación total de la química interna, y necesitará un poderoso catalizador nuevo para que funcione. Una batería de litio-aire funciona combinando átomos de litio y oxígeno y luego rompiéndolos, una y otra vez. Esa es una situación hecha a medida para un catalizador, y una buena haría que la reacción fuera más rápida y que la batería fuera más eficiente.
¿Cómo hacer un nuevo catalizador?
comprender la química detrás de las reacciones es el primer paso; luego, los científicos pueden usar el modelado para diseñar nuevos catalizadores potenciales y hacer que se prueben en el laboratorio., Pero ese primer paso es difícil a menos que puedas bajar al nivel atómico para ver lo que está sucediendo durante una reacción. Aquí es donde grandes instalaciones científicas como la fuente avanzada de fotones (APS) de Argonne brillan.
en la APS, los científicos pueden usar los rayos X más brillantes de los Estados Unidos para rastrear las reacciones en tiempo real. En el Centro de Microscopía Electrónica del laboratorio, los investigadores toman fotos de los átomos mientras reaccionan. Curtiss y el equipo han utilizado ambos en su búsqueda de mejores catalizadores.
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