Quasi tutto nella tua vita quotidiana dipende dai catalizzatori: automobili, note post-it, detersivo per bucato, birra. Tutte le parti del tuo panino-pane, formaggio cheddar, tacchino arrosto., Catalizzatori abbattere pasta di carta per produrre la carta liscia nella vostra rivista. Puliscono le lenti a contatto ogni notte. Trasformano il latte in yogurt e il petrolio in brocche di latte di plastica, CD e caschi da bicicletta.
Che cos’è la catalisi?
I catalizzatori accelerano una reazione chimica abbassando la quantità di energia necessaria per ottenerne una. La catalisi è la spina dorsale di molti processi industriali, che utilizzano reazioni chimiche per trasformare le materie prime in prodotti utili. I catalizzatori sono parte integrante nella produzione di materie plastiche e molti altri manufatti.
Anche il corpo umano funziona su catalizzatori., Molte proteine nel tuo corpo sono in realtà catalizzatori chiamati enzimi, che fanno di tutto, dalla creazione di segnali che muovono gli arti per aiutare a digerire il cibo. Sono veramente una parte fondamentale della vita.
Le piccole cose possono avere grandi risultati.
Nella maggior parte dei casi, è necessaria solo una piccola quantità di catalizzatore per fare la differenza. Anche la dimensione della particella catalizzatore può cambiare il modo in cui una reazione viene eseguita. L’anno scorso, un team di Argonne tra cui lo scienziato dei materiali Larry Curtiss ha scoperto che un catalizzatore d’argento è migliore nel suo compito quando è in nanoparticelle a pochi atomi di larghezza., (Il catalizzatore trasforma il propilene in ossidi di propilene, che è il primo passo nella produzione di antigelo e altri prodotti.)
Può rendere le cose più verdi.
I processi di produzione industriale per la plastica e altri oggetti essenziali spesso producono sottoprodotti sgradevoli che possono rappresentare rischi per la salute umana e l’ambiente. Catalizzatori migliori possono aiutare a risolvere questo problema. Ad esempio, lo stesso catalizzatore d’argento produce effettivamente meno sottoprodotti tossici, rendendo l’intera reazione più ecologica.
Nel suo cuore, un catalizzatore è un modo per risparmiare energia., E l’applicazione di catalizzatori su larga scala potrebbe salvare il mondo un sacco di energia. Tre per cento di tutta l’energia utilizzata negli Stati Uniti ogni anno va nella conversione di etano e propano in alcheni, che vengono utilizzati per fare la plastica, tra le altre cose. Questo è l’equivalente di oltre 500 milioni di barili di benzina.
I catalizzatori sono anche la chiave per sbloccare i biocarburanti. Tutta la biomassa-mais, switchgrass, alberi-contiene un composto duro chiamato cellulosa, che deve essere scomposto per produrre carburante., Trovare il catalizzatore perfetto per disintegrare la cellulosa renderebbe i biocarburanti più economici e più vitali come fonte di energia rinnovabile.
Spesso, non abbiamo idea del motivo per cui funzionano.
Le ragioni precise per cui i catalizzatori funzionano sono spesso ancora un mistero per gli scienziati., Curtiss lavora in catalisi computazionale: utilizzando i computer per affrontare la complicata interazione di fisica, chimica e matematica che spiega come funziona un catalizzatore.
Una volta che hanno capito il processo, gli scienziati possono provare a costruire un catalizzatore che funziona ancora meglio simulando come materiali diversi potrebbero funzionare invece. Le potenziali configurazioni per i nuovi catalizzatori possono funzionare a migliaia di combinazioni, motivo per cui i supercomputer sono i migliori a gestirli.,
Quando Edison stava costruendo la lampadina, ha testato letteralmente centinaia di filamenti diversi (probabilmente testando anche la pazienza dei suoi assistenti di laboratorio) prima di scoprire il filamento carbonizzato. Sfruttando i supercomputer e la tecnologia moderna, gli scienziati possono accelerare gli anni di test e spese per arrivare a scoperte.
Curtiss esegue simulazioni sul supercomputer Blue Gene / P di Argonne per progettare possibili nuovi catalizzatori. “Poiché i supercomputer sono diventati più veloci, siamo stati in grado di fare cose che non saremmo mai stati in grado di fare 10 anni fa”, ha detto.,
Potrebbero essere essenziali per la prossima grande rivoluzione nelle batterie.
Le batterie agli ioni di litio recentemente efficienti hanno contribuito a trasformare i telefoni per auto goffi in telefoni cellulari e laptop sottili ed eleganti oggi disponibili. Ma gli scienziati sono già alla ricerca per la prossima rivoluzione in batterie-uno che potrebbe un giorno fare una luce batteria e abbastanza potente per prendere una macchina 500 miglia in un andare. Un’idea promettente sono le batterie al litio-aria, che utilizzano l’ossigeno dall’aria come componente primario., Ma questa nuova batteria richiederà totalmente revamping la chimica interna, e avrà bisogno di un nuovo potente catalizzatore per farlo funzionare. Una batteria al litio-aria funziona combinando atomi di litio e ossigeno e poi rompendoli a parte, più e più volte. Questa è una situazione su misura per un catalizzatore, e una buona renderebbe la reazione più veloce e renderebbe la batteria più efficiente.
Come si fa a fare un nuovo catalizzatore?
Comprendere la chimica alla base delle reazioni è il primo passo; quindi gli scienziati possono utilizzare la modellazione per progettare potenziali nuovi catalizzatori e farli testare in laboratorio., Ma questo primo passo è difficile a meno che non si può arrivare fino al livello atomico per vedere cosa sta succedendo durante una reazione. È qui che brillano grandi strutture scientifiche come l’Advanced Photon Source (APS) di Argonne.
Presso l’APS, gli scienziati possono utilizzare i raggi X più brillanti negli Stati Uniti per monitorare le reazioni in tempo reale. Al Centro di microscopia elettronica del laboratorio, i ricercatori scattano foto degli atomi mentre reagiscono. Curtiss e il team hanno usato entrambi questi nella loro ricerca di catalizzatori migliori.
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