W poszukiwaniu klucza do reakcji katalizowanej nanocząstkami
Przez lata nanokatalizatory, czyli mikroskopijne cząstki przyspieszające reakcje, stosowano nieco po omacku. Wiedzieliśmy, że działają, a nawet potrafiliśmy je ulepszać metodą prób i błędów, ale ich precyzyjny mechanizm działania był skrzętnie skrywaną tajemnicą natury. Przełomowe badania z 2021 roku pokazały, że tzw. katalizatory tandemowe mogą scalić wieloetapowy proces w jedną, bardziej wydajną reakcję. Brakowało jednak odpowiedzi na pytanie: dlaczego akurat ta konkretna struktura jest tak skuteczna? Zespół pod kierunkiem Siddhartha Deshpande postanowił znaleźć tę odpowiedź. Problem był gigantyczny: liczba możliwych interakcji między atomami w miejscu aktywnym katalizatora jest astronomiczna. Potrzebne było narzędzie, które pozwoliłoby logicznie przesiać ten chaos i wyłuskać kluczowe sekwencje zdarzeń.
Istnieje tak wiele różnych możliwości tego, co dzieje się w aktywnych miejscach katalitycznych, więc potrzebujemy podejścia algorytmicznego, aby bardzo łatwo, a jednocześnie logicznie przesiewać przez dużą liczbę istniejących możliwości i skupiać się na najważniejszych – opisuje Deshpande
Stosując opracowane algorytmy, badacze przyjrzeli się reakcji dehydrogenacji propanu, w której nanocząstki palladu na podłożu tlenkowym odrywają atomy wodoru. Symulacje ujawniły zaskakujący i przydatny wzór. Powstający w trakcie reakcji tlenek nie rozkładał się przypadkowo, lecz tworzył stabilną, uporządkowaną strukturę wokół specyficznych, niedoskonałych miejsc w metalicznym rdzeniu katalizatora. To selektywne otaczanie defektów okazało się kluczowe dla długoterminowej stabilności całego systemu. Nawet gdy skład chemiczny tlenku ulegał zmianom, jego położenie względem tych metalicznych „wad” pozostawało niezmienne, tworząc swego rodzaju podporę. Szczegóły tych złożonych przejść fazowych opisano w publikacji w Journal of the American Chemical Society.
Dopracowaliśmy nasze algorytmy i wykorzystaliśmy je do bardzo szczegółowej analizy fazy metalicznej i fazy tlenkowej napędzających tę bardzo złożoną reakcję — zauważa główny autor
Szersze implikacje poza produkcją propylenu
Znaczenie tego odkrycia nie ogranicza się do jednej reakcji. Opracowane narzędzia obliczeniowe otwierają drogę do podobnej inżynierii wstecznej dla całej gamy procesów przemysłowych. Deshpande podaje jako przykład na syntezę metanolu, związku chemicznego o fundamentalnym znaczeniu dla produkcji paliw, rozpuszczalników i tworzyw. Przejście od empirii do zrozumienia oferuje konkretne, choć nie natychmiastowe, perspektywy: większą wydajność energetyczną procesów, redukcję kosztów poprzez projektowanie lepszych katalizatorów od pierwszego podejścia, a w dłuższej perspektywie – mniejsze obciążenie dla środowiska. To obietnica bardziej racjonalnej i przewidywalnej chemii przemysłowej.
Czytaj też: Nowy katalizator zapewnił rekordową efektywność. Złoto jest teraz cenniejsze niż kiedykolwiek
Sukces zespołu z Rochester pokazuje rosnącą moc obliczeniowej chemii. Gdy tradycyjne metody eksperymentalne napotykały ścianę złożoności, algorytmy i moc obliczeniowa współczesnych komputerów pozwoliły ją przejrzeć. To nie gwarantuje jeszcze, że jutro fabryki chemiczne zaczną pracować taniej, ale z pewnością pokazuje, że możemy stopniowo odzyskiwać kontrolę nad procesami, które napędzają naszą cywilizację, zamieniając ślepe testowanie w świadome projektowanie. Dla branży, która często działała jak szef kuchni doskonalący przepis przez dziesięciolecia, bez rozumienia dokładnie dlaczego działa, to zmiana filozofii.