presque tout dans votre vie quotidienne dépend des catalyseurs: voitures, post-It notes, détergent à lessive, bière. Toutes les parties de votre sandwich—pain, fromage cheddar, dinde rôtie., Les catalyseurs décomposent la pâte à papier pour produire le papier lisse de votre magazine. Ils nettoient vos lentilles de contact tous les soirs. Ils transforment le lait en yogourt et le pétrole en cruches à lait en plastique, CD et casques de vélo.
qu’est-Ce que la catalyse?
Les catalyseurs accélèrent une réaction chimique en réduisant la quantité d’énergie dont vous avez besoin pour en obtenir une. La catalyse est l’épine dorsale de nombreux processus industriels, qui utilisent des réactions chimiques pour transformer les matières premières en produits utiles. Les catalyseurs font partie intégrante de la fabrication de plastiques et de nombreux autres articles manufacturés.
Même le corps humain fonctionne sur des catalyseurs., De nombreuses protéines dans votre corps sont en fait des catalyseurs appelés enzymes, qui font tout, de la création de signaux qui bougent vos membres à l’aide à digérer vos aliments. Ils sont vraiment une partie fondamentale de la vie.
les Petites choses peuvent avoir de grands résultats.
dans la plupart des cas, vous n’avez besoin que d’une petite quantité de catalyseur pour faire la différence. Même la taille de la particule de catalyseur peut changer la façon dont une réaction s’exécute. L’année dernière, une équipe Argonne comprenant le scientifique des matériaux Larry Curtiss a constaté qu’un catalyseur d’argent est meilleur à sa tâche quand il est dans des nanoparticules à quelques atomes de large., (Le catalyseur transforme le propylène en oxydes de propylène, qui est la première étape dans la fabrication de l’antigel et d’autres produits.)
cela peut rendre les choses plus vertes.
Les procédés industriels de fabrication du plastique et d’autres articles essentiels produisent souvent des sous-produits désagréables qui peuvent présenter des dangers pour la santé humaine et l’environnement. De meilleurs catalyseurs peuvent aider à résoudre ce problème. Par exemple, le même catalyseur d’Argent produit en fait moins de sous-produits toxiques, ce qui rend l’ensemble de la réaction plus écologique.
en son cœur, un catalyseur est un moyen d’économiser de l’énergie., Et l’application de catalyseurs à grande échelle pourrait économiser beaucoup d’énergie au monde. Trois pour cent de toute l’énergie utilisée aux États-Unis chaque année sert à convertir l’éthane et le propane en alcènes, qui sont utilisés pour fabriquer des plastiques, entre autres. C’est l’équivalent de plus de 500 millions de barils d’essence.
Les catalyseurs sont également la clé pour libérer les biocarburants. Toute la biomasse—maïs, herbe à aiguiser, arbres-contient un composé dur appelé cellulose, qui doit être décomposé pour faire du carburant., Trouver le catalyseur parfait pour désintégrer la cellulose rendrait les biocarburants moins chers et plus viables en tant que source d’énergie renouvelable.
Souvent, nous n’avons aucune idée de pourquoi ils travaillent.
Les raisons précises pour lesquelles les catalyseurs fonctionnent sont souvent encore un mystère pour les scientifiques., Curtiss travaille dans la catalyse computationnelle: utiliser des ordinateurs pour aborder l’interaction compliquée de la physique, de la chimie et des mathématiques qui explique le fonctionnement d’un catalyseur.
Une fois qu’ils ont compris le processus, les scientifiques peuvent essayer de construire un catalyseur qui fonctionne encore mieux en simulant le fonctionnement de différents matériaux. Les configurations potentielles pour les nouveaux catalyseurs peuvent fonctionner à des milliers de combinaisons, c’est pourquoi les supercalculateurs sont les mieux à traiter avec eux.,
lorsque Edison construisait l’ampoule, il testait littéralement des centaines de filaments différents (testant probablement la patience de ses assistants de laboratoire) avant de découvrir le filament carbonisé. En tirant parti des supercalculateurs et de la technologie moderne, les scientifiques peuvent accélérer les années de tests et les dépenses pour atteindre des percées.
Curtiss exécute des simulations sur le superordinateur Blue Gene / P D’Argonne pour concevoir de nouveaux catalyseurs possibles. « Comme les supercalculateurs sont devenus plus rapides, nous avons pu faire des choses que nous n’aurions jamais pu faire il y a 10 ans”, a-t-il déclaré.,
ils pourraient être essentiels pour la prochaine grande révolution dans les batteries.
Les batteries lithium-ion nouvellement efficaces ont contribué à transformer les téléphones de voiture maladroits en Téléphones portables et ordinateurs portables minces et élégants disponibles aujourd’hui. Mais les scientifiques sont déjà à la recherche de la prochaine révolution des batteries—celle qui pourrait un jour rendre une batterie assez légère et puissante pour prendre une voiture 500 miles à la fois. Une idée prometteuse est les batteries lithium-air, qui utilisent l’oxygène de l’air comme composant principal., Mais cette nouvelle batterie nécessitera une refonte totale de la chimie interne, et il faudra un nouveau catalyseur puissant pour le faire fonctionner. Une batterie lithium-air fonctionne en combinant des atomes de lithium et d’oxygène, puis en les séparant, encore et encore. C’est une situation sur mesure pour un catalyseur, et un bon rendrait la réaction plus rapide et rendrait la batterie plus efficace.
Comment faire un nouveau catalyseur?
comprendre la chimie derrière les réactions est la première étape; ensuite, les scientifiques peuvent utiliser la modélisation pour concevoir de nouveaux catalyseurs potentiels et les faire tester en laboratoire., Mais cette première étape est difficile à moins que vous ne puissiez descendre au niveau atomique pour voir ce qui se passe pendant une réaction. C’est là que brillent les grandes installations scientifiques comme la source de photons Avancée (APS) D’Argonne.
à L’APS, les scientifiques peuvent utiliser les rayons X les plus brillants des États-Unis pour suivre les réactions en temps réel. Au centre de microscopie électronique du laboratoire, les chercheurs prennent des photos des atomes pendant qu’ils réagissent. Curtiss et l’équipe ont utilisé les deux dans leur recherche de meilleurs catalyseurs.
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