La plastica onnipresente nei prodotti di uso quotidiano – dalle bottiglie d’acqua ai mobili da esterno – inizia con una trasformazione chimica fondamentale: la conversione del propano in propilene. Sebbene gli scienziati sappiano come eseguire questa conversione in modo efficiente utilizzando catalizzatori su scala nanometrica, i precisi meccanismi atomici che guidano il processo sono rimasti in gran parte misteriosi. Ora, i ricercatori dell’Università di Rochester hanno sviluppato algoritmi che rivelano le caratteristiche chiave che governano questa complessa chimica, offrendo un percorso verso l’ottimizzazione della produzione industriale e la comprensione di reazioni simili.
La sfida della comprensione a livello atomico
Per anni, le aziende hanno fatto affidamento su metodi di prova ed errore per migliorare la resa di propilene dal propano. Uno studio del 2021 pubblicato su Science ha dimostrato il potenziale dei catalizzatori tandem su scala nanometrica per semplificare questo processo, ma senza una comprensione dettagliata di ciò che accade a livello atomico, applicare questa tecnica ad altri processi industriali è stato difficile. La reazione è complicata dall’interazione di materiali esistenti in più stati, rendendo difficile individuare i fattori critici che determinano l’efficienza.
Scoperta algoritmica
Il team di Rochester, guidato dal professore assistente Siddharth Deshpande e dal Ph.D. studente Snehitha Srirangam, hanno pubblicato i loro risultati nel Journal of the American Chemical Society. Il loro approccio prevede algoritmi sofisticati che esaminano sistematicamente innumerevoli possibilità atomiche, concentrandosi su quelle più cruciali. “Ci sono così tante diverse possibilità su ciò che sta accadendo nei siti attivi catalitici”, spiega Deshpande, “quindi abbiamo bisogno di un approccio algoritmico per esaminare in modo molto semplice ma logico la grande quantità di possibilità esistenti e concentrarci su quelle più importanti.”
Risultati chiave: stabilità dell’ossido e siti metallici difettosi
L’analisi ha rivelato diverse intuizioni inaspettate. Il team ha scoperto che il componente ossido nella reazione cresceva costantemente intorno ai siti difettosi del catalizzatore metallico, un comportamento fondamentale per mantenere la stabilità del catalizzatore. Anche quando l’ossido esisteva in composizioni chimiche variabili, rimaneva ancorato a questi siti metallici difettosi. Questo modello di crescita selettiva suggerisce un principio di progettazione fondamentale che governa l’efficienza della reazione.
Implicazioni per la chimica industriale
Secondo Deshpande, questa conoscenza – e i metodi algoritmici utilizzati per ottenerla – può essere sfruttata per comprendere altre reazioni chimiche complesse, come la sintesi del metanolo, che viene utilizzato in qualsiasi cosa, dalle vernici alle celle a combustibile. Le aziende possono ora andare oltre decenni di tentativi ed errori, cercando strategicamente metodi di produzione più efficienti per il propilene e altri materiali industriali.
Un approccio generale alle reazioni complesse
L’approccio del team non si limita alla conversione da propano a propilene. “Il nostro approccio è molto generale e può aprire le porte alla comprensione di molti di questi processi che sono rimasti un enigma per decenni”, afferma Deshpande. Sebbene queste reazioni siano state implementate con successo per decenni, una comprensione approfondita dei meccanismi atomici sottostanti è rimasta sfuggente. Questa nuova ricerca colma questa lacuna, offrendo un percorso verso una chimica industriale ottimizzata.
In conclusione, la svolta algoritmica dell’Università di Rochester fornisce una nuova lente per esaminare reazioni chimiche complesse, offrendo il potenziale per trasformare i processi industriali da congetture empiriche a efficienza basata sui dati
