Nematoma inžinerija: atskleidžiama, kaip vienas algoritmas išsprendė seną pramonės mįslę

Paradoksas slypėjo tame, kad reakcija, paverčianti propaną propilenu, vyko tarsi nematomoje zonoje. Pramonė ją taikė, tačiau atominiu lygiu nebuvo aišku, kas tiksliai lemia efektyvumą. Dabar ši nežinomybė pradeda trauktis, nes atsirado naujų skaičiavimo metodų.

Ročesterio universiteto mokslininkai sukūrė algoritmus, kurie leidžia atsekti katalizatorių veikimą po vieną atomą. Jie nepasitelkė naujo mikroskopo, o pritaikė pažangias analizes, galinčias iš didžiulės galimų įvykių gausos išskirti svarbiausias reakcijos grandis.

Nanokatalizatorių paslapties paieškos

Nanokatalizatoriai daugelį metų buvo naudojami beveik intuicijos principu. Buvo žinoma, kad mikroskopinės dalelės pagreitina reakciją, o jų gerinimas dažnai rėmėsi bandymais ir klaidomis. Tikslus mechanizmas liko gamtos paslaptimi, nes aktyviuose taškuose galimų atominių sąveikų yra neįsivaizduojamai daug.

Ankstesni tyrimai parodė, kad vadinamieji tandeminiai katalizatoriai gali sujungti kelis etapus į vieną efektyvesnę reakciją. Vis dėlto trūko atsakymo, kodėl tokia struktūra veikia geriausiai. Nauji algoritmai tapo įrankiu, leidusiu logiškai persijoti variantus ir rasti svarbiausias dalis.

Ką parodė atomų lygio analizė?

Tyrėjai algoritmus pritaikė propano dehidrogenacijos reakcijai, kurioje paladžio nanodalelės ant oksidinio pagrindo atskelia vandenilio atomus. Skaičiavimai atskleidė netikėtą dėsningumą. Reakcijos metu susidarantis oksidas nesisklaidė chaotiškai, o formavo tvarkingą, stabilią struktūrą aplink tam tikrus metalo branduolio defektus.

Šis selektyvus defektų apgaubimas pasirodė esminis katalizatoriaus ilgaamžiškumui. Net kai oksido cheminė sudėtis kito, jo padėtis defektų atžvilgiu išliko ta pati, tarsi sudarydama atraminį karkasą. Tai paaiškino, kaip sistema išlaiko stabilumą ilgalaikėje pramoninėje veikloje.

Reikšmė platesnei pramonei

Atradimo vertė neapsiriboja vien propileno gamyba. Sukurti skaičiavimo įrankiai gali būti taikomi kitoms svarbioms reakcijoms, kur katalizatoriai iki šiol buvo tobulinami empiriškai. Tokia inžinerija atgaline kryptimi žada geresnį pramoninių procesų supratimą ir tikslesnį jų projektavimą.

Ilgainiui tai gali reikšti mažesnes energijos sąnaudas, mažesnius kaštus ir mažesnę taršą. Svarbiausia yra perėjimas nuo aklo bandymo prie sąmoningo dizaino, kai katalizatoriai kuriami žinant, kokios atomų sąveikos iš tiesų lemia rezultatą. Tai keičia visos pramoninės chemijos mąstymą.