Le reazioni chimiche avvengono continuamente intorno a noi:nell'aria che respiriamo, l'acqua che beviamo, e nelle fabbriche che realizzano i prodotti che usiamo nella vita di tutti i giorni. E quelle reazioni sono inaspettatamente veloci. Date le condizioni ottimali, le molecole possono reagire tra loro in un quadrilionesimo di secondo.

L'industria è costantemente alla ricerca di processi chimici più rapidi e migliori. produzione di idrogeno, che richiede la scissione delle molecole d'acqua, è un esempio. Per migliorare i processi, i ricercatori devono sapere come le diverse molecole reagiscono tra loro e cosa innesca le reazioni. Le simulazioni al computer possono permettere di studiare cosa succede durante un quadrilionesimo di secondo, quindi se la sequenza di una reazione chimica è nota, o se i trigger che avviano la reazione si verificano frequentemente, si possono studiare le fasi della reazione.

Ma spesso non è così nella pratica. Le reazioni molecolari si comportano spesso in modo diverso. Le condizioni ottimali spesso non sono presenti, come con le molecole d'acqua utilizzate nella produzione di idrogeno, e questo rende le reazioni difficili da indagare, anche con simulazioni al computer.

Fino a poco tempo fa, gli scienziati non hanno saputo che cosa avvia la scissione delle molecole d'acqua. Però, è noto che una molecola d'acqua ha una durata di vita di 10 ore prima di dividersi. Dieci ore potrebbero non sembrare tante, ma rispetto alla scala temporale molecolare, un quadrilionesimo di secondo, è piuttosto lungo. Ciò rende estremamente difficile determinare il meccanismo che causa la divisione delle molecole d'acqua. È come cercare un ago in un pagliaio.

I ricercatori di NTNU hanno recentemente trovato un modo per identificare quell'ago nel pagliaio. Nel loro studio, hanno combinato due tecniche che non erano state precedentemente utilizzate insieme.

Hanno studiato quasi 100, 000 immagini di simulazione di questo tipo prima che fossero in grado di identificare cosa provoca la scissione delle molecole d'acqua. Un sacco di potenza di calcolo è stata utilizzata in quelle simulazioni. Usando il loro metodo speciale, i ricercatori sono riusciti a simulare esattamente come si dividono le molecole d'acqua. "Abbiamo iniziato a guardare questi 10, 000 filmati di simulazione e analizzarli manualmente, cercando di trovare la ragione per cui le molecole d'acqua si dividono, ", afferma il ricercatore Anders Lervik del Dipartimento di Chimica della NTNU. Ha svolto il suo lavoro con il professor Titus van Erp.

"Dopo aver passato molto tempo a studiare questi film di simulazione, abbiamo trovato alcune relazioni interessanti, ma ci siamo anche resi conto che la quantità di dati era troppo grande per indagare tutto manualmente." I ricercatori hanno utilizzato un metodo di apprendimento automatico per scoprire le cause che innescano la reazione. Questo metodo non è mai stato utilizzato per simulazioni di questo tipo. Attraverso questa analisi, hanno scoperto un piccolo numero di variabili che descrivono ciò che avvia le reazioni.

Ciò che hanno trovato fornisce una conoscenza dettagliata del meccanismo causale, così come idee per migliorare il processo. Trovare modi per far sì che le reazioni chimiche industriali avvengano in modo più rapido ed efficiente ha fatto un significativo passo avanti con questa ricerca. Offre un grande potenziale per migliorare la produzione di idrogeno.