Wszechobecność tworzyw sztucznych w produktach codziennego użytku – od butelek po wodzie po meble ogrodowe – zaczyna się od fundamentalnej przemiany chemicznej: konwersji propanu do propylenu. Chociaż naukowcy od dawna wiedzą, jak skutecznie przeprowadzić tę transformację przy użyciu nanokatalizatorów, dokładne mechanizmy atomowe rządzące tym procesem w dużej mierze pozostają tajemnicą. Teraz naukowcy z Uniwersytetu w Rochester opracowali algorytmy, które ujawniają kluczowe cechy definiujące tę złożoną chemię, oferując ścieżkę do optymalizacji produkcji przemysłowej i zrozumienia podobnych reakcji.
Problem zrozumienia na poziomie atomowym
Przez lata firmy polegały na próbach i błędach, aby poprawić uzysk propylenu z propanu. Badanie przeprowadzone w 2021 r. w czasopiśmie Science wykazało potencjał nanokatalizatorów tandemowych w zakresie optymalizacji tego procesu, jednak bez szczegółowego zrozumienia tego, co dzieje się na poziomie atomowym, zastosowanie tej techniki w innych procesach przemysłowych było trudne. Reakcję komplikuje interakcja materiałów występujących w wielu stanach, co utrudnia identyfikację kluczowych czynników determinujących wydajność.
Przełom algorytmiczny
Zespół z Rochester, kierowany przez adiunkta Siddhartha Deshpande i absolwentkę Snehitę Srirangam, opublikował swoje ustalenia w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society. Ich podejście obejmuje złożone algorytmy, które systematycznie skanują niezliczone możliwości atomowe, koncentrując się na najważniejszych. „Istnieje tak wiele różnych możliwości tego, co dzieje się w miejscach aktywnych katalitycznie” – wyjaśnia Deshpande, „dlatego potrzebujemy podejścia algorytmicznego, aby bardzo łatwo, ale logicznie przejrzeć ogromną liczbę możliwości i skupić się na najważniejszych”.
Kluczowe ustalenia: stabilność tlenków i wadliwe miejsca na metalach
Analiza ujawniła kilka nieoczekiwanych prawidłowości. Zespół odkrył, że składnik tlenkowy w reakcji stale rośnie wokół wadliwych miejsc katalizatora metalicznego, a jest to zachowanie mające kluczowe znaczenie dla utrzymania stabilności katalizatora. Nawet jeśli tlenek występował w różnych składach chemicznych, pozostawał przyczepiony do wadliwych obszarów metalu. Ten selektywny model wzrostu zakłada podstawową zasadę projektowania, która określa skuteczność reakcji.
Implikacje dla chemii przemysłowej
Tę wiedzę – i metody algorytmiczne zastosowane do jej uzyskania – można wykorzystać do zrozumienia innych złożonych reakcji chemicznych, takich jak synteza metanolu, który jest stosowany we wszystkim, od farb po ogniwa paliwowe, powiedział Deshpande. Firmy mogą teraz wyjść poza dziesięciolecia prób i błędów, strategicznie poszukując bardziej wydajnych metod produkcji propylenu i innych materiałów przemysłowych.
Ogólne podejście do reakcji złożonych
Podejście zespołu wykracza poza konwersję propanu w propylen. „Nasze podejście jest bardzo ogólne i może otworzyć drzwi do zrozumienia wielu procesów, które przez dziesięciolecia pozostawały tajemnicą” – mówi Deshpande. Chociaż reakcje te są z powodzeniem wdrażane od dziesięcioleci, głębokie zrozumienie leżących u podstaw mechanizmów atomowych pozostaje nieuchwytne. To nowe badanie wypełnia tę lukę, oferując ścieżkę do zoptymalizowanej chemii przemysłowej.
Podsumowując, przełom algorytmiczny dokonany na Uniwersytecie w Rochester zapewnia nowy wgląd w badanie złożonych reakcji chemicznych, oferując potencjał transformacji procesów przemysłowych z domysłów empirycznych do wydajnego zarządzania danymi.
