Os plásticos omnipresentes em produtos de uso diário – desde garrafas de água a mobiliário de exterior – começam com uma transformação química fundamental: a conversão de propano em propileno. Embora os cientistas saibam como realizar esta conversão de forma eficiente usando catalisadores em nanoescala, os mecanismos atômicos precisos que conduzem o processo permanecem em grande parte misteriosos. Agora, pesquisadores da Universidade de Rochester desenvolveram algoritmos que revelam as principais características que regem essa química complexa, oferecendo um caminho para otimizar a produção industrial e compreender reações semelhantes.
O desafio da compreensão em nível atômico
Durante anos, as empresas confiaram em métodos de tentativa e erro para melhorar o rendimento do propileno a partir do propano. Um estudo de 2021 na Science demonstrou o potencial dos catalisadores tandem em nanoescala para agilizar esse processo, mas sem uma compreensão detalhada do que acontece no nível atômico, tem sido difícil aplicar essa técnica a outros processos industriais. A reação é complicada pela interação de materiais existentes em vários estados, tornando difícil identificar os fatores críticos que impulsionam a eficiência.
Avanço Algorítmico
A equipe de Rochester, liderada pelo professor assistente Siddharth Deshpande e Ph.D. a estudante Snehitha Srirangam publicou suas descobertas no Journal of the American Chemical Society. Sua abordagem envolve algoritmos sofisticados que examinam sistematicamente inúmeras possibilidades atômicas, concentrando-se nas mais cruciais. “Existem tantas possibilidades diferentes do que está acontecendo nos sítios ativos catalíticos”, explica Deshpande, “então precisamos de uma abordagem algorítmica para rastrear de forma muito fácil, mas lógica, a grande quantidade de possibilidades que existem e focar nas mais importantes”.
Principais descobertas: estabilidade do óxido e locais metálicos defeituosos
A análise revelou vários insights inesperados. A equipe descobriu que o componente óxido na reação crescia consistentemente em torno de locais defeituosos no catalisador metálico, um comportamento crítico para manter a estabilidade do catalisador. Mesmo quando o óxido existia em composições químicas variadas, ele permanecia ancorado nesses locais metálicos defeituosos. Este padrão de crescimento seletivo sugere um princípio fundamental de design que rege a eficiência da reação.
Implicações para a Química Industrial
Segundo Deshpande, esse conhecimento – e os métodos algorítmicos utilizados para obtê-lo – pode ser aproveitado para compreender outras reações químicas complexas, como a síntese de metanol, que é utilizado em tudo, desde tintas até células de combustível. As empresas podem agora ultrapassar décadas de tentativa e erro, procurando estrategicamente métodos de produção mais eficientes para o propileno e outros materiais industriais.
Uma abordagem geral para reações complexas
A abordagem da equipe não se limita à conversão de propano em propileno. “Nossa abordagem é muito geral e pode abrir portas para a compreensão de muitos desses processos que permaneceram um enigma durante décadas”, afirma Deshpande. Embora estas reações tenham sido implementadas com sucesso durante décadas, uma compreensão profunda dos mecanismos atômicos subjacentes permaneceu indefinida. Esta nova pesquisa preenche essa lacuna, oferecendo um caminho para uma química industrial otimizada.
Concluindo, a descoberta algorítmica da Universidade de Rochester fornece uma nova lente para examinar reações químicas complexas, oferecendo o potencial para transformar processos industriais de suposições empíricas para eficiência baseada em dados
