Plastik yang banyak digunakan dalam produk sehari-hari – mulai dari botol air hingga furnitur luar ruangan – dimulai dengan transformasi kimia mendasar: mengubah propana menjadi propilena. Meskipun para ilmuwan telah mengetahui bagaimana melakukan konversi ini secara efisien menggunakan katalis berskala nano, mekanisme atom yang tepat yang mendorong proses tersebut masih tetap misterius. Kini, para peneliti di Universitas Rochester telah mengembangkan algoritma yang mengungkap fitur-fitur utama yang mengatur kimia kompleks ini, menawarkan jalan menuju optimalisasi produksi industri dan memahami reaksi serupa.
Tantangan Pemahaman Tingkat Atom
Selama bertahun-tahun, perusahaan mengandalkan metode coba-coba untuk meningkatkan hasil propilena dari propana. Sebuah studi tahun 2021 di Sains menunjukkan potensi katalis tandem skala nano untuk menyederhanakan proses ini, namun tanpa pemahaman mendetail tentang apa yang terjadi pada tingkat atom, menerapkan teknik ini pada proses industri lainnya akan sulit dilakukan. Reaksi ini diperumit oleh interaksi bahan-bahan yang ada dalam berbagai keadaan, sehingga sulit untuk menentukan dengan tepat faktor-faktor penting yang mendorong efisiensi.
Terobosan Algoritmik
Tim Rochester, dipimpin oleh Asisten Profesor Siddharth Deshpande dan Ph.D. mahasiswa Snehitha Srirangam, mempublikasikan temuan mereka di Journal of American Chemical Society. Pendekatan mereka melibatkan algoritma canggih yang secara sistematis menyaring kemungkinan-kemungkinan atom yang tak terhitung jumlahnya, dengan fokus pada kemungkinan-kemungkinan yang paling krusial. “Ada begitu banyak kemungkinan berbeda mengenai apa yang terjadi di situs aktif katalitik,” jelas Deshpande, “jadi kita memerlukan pendekatan algoritmik untuk menyaring sejumlah besar kemungkinan yang ada dengan sangat mudah namun logis dan fokus pada kemungkinan yang paling penting.”
Temuan Utama: Stabilitas Oksida dan Lokasi Logam yang Rusak
Analisis tersebut mengungkapkan beberapa wawasan yang tidak terduga. Tim menemukan bahwa komponen oksida dalam reaksi secara konsisten tumbuh di sekitar lokasi cacat pada katalis logam, suatu perilaku yang penting untuk menjaga stabilitas katalis. Bahkan ketika oksida terdapat dalam berbagai komposisi kimia, ia tetap terikat pada lokasi logam yang rusak tersebut. Pola pertumbuhan selektif ini menunjukkan prinsip desain mendasar yang mengatur efisiensi reaksi.
Implikasinya terhadap Kimia Industri
Menurut Deshpande, pengetahuan ini – dan metode algoritmik yang digunakan untuk memperolehnya – dapat dimanfaatkan untuk memahami reaksi kimia kompleks lainnya, seperti sintesis metanol, yang digunakan dalam segala hal mulai dari cat hingga sel bahan bakar. Perusahaan kini dapat melakukan lebih dari sekadar uji coba selama beberapa dekade, dan secara strategis mencari metode produksi yang lebih efisien untuk propilena dan bahan industri lainnya.
Pendekatan Umum terhadap Reaksi Kompleks
Pendekatan tim ini tidak terbatas pada konversi propana menjadi propilena. “Pendekatan kami sangat umum dan dapat membuka pintu untuk memahami banyak proses yang masih menjadi teka-teki selama beberapa dekade,” Deshpande menegaskan. Meskipun reaksi-reaksi ini telah berhasil diterapkan selama beberapa dekade, pemahaman mendalam tentang mekanisme atom yang mendasarinya masih sulit dipahami. Penelitian baru ini menjembatani kesenjangan tersebut dan menawarkan jalan menuju kimia industri yang optimal.
Kesimpulannya, terobosan algoritmik Universitas Rochester memberikan lensa baru untuk menguji reaksi kimia yang kompleks, menawarkan potensi untuk mengubah proses industri dari dugaan empiris menjadi efisiensi berbasis data.
