Un team di ricercatori dell'Università del Minnesota e dell'Università del Massachusetts Amherst ha scoperto una nuova tecnologia in grado di accelerare le reazioni chimiche 10, 000 volte più veloce dell'attuale limite di velocità di reazione. Questi risultati potrebbero aumentare la velocità e ridurre il costo di migliaia di processi chimici utilizzati nello sviluppo di fertilizzanti, Alimenti, combustibili, plastica, e altro ancora.

La ricerca è pubblicata online in Catalisi ACS , una delle principali riviste dell'American Chemical Society.

Nelle reazioni chimiche, gli scienziati usano i cosiddetti catalizzatori per accelerare le reazioni. Una reazione che si verifica su una superficie del catalizzatore, come un metallo, accelererà, ma può andare solo alla velocità consentita dal cosiddetto principio del Sabatier. Spesso chiamato il "principio dei riccioli d'oro" della catalisi, il miglior catalizzatore possibile mira a bilanciare perfettamente due parti di una reazione chimica. Le molecole che reagiscono dovrebbero aderire a una superficie metallica per reagire né troppo forte né troppo debolmente, ma "giusto". Poiché questo principio è stato stabilito quantitativamente nel 1960, il massimo di Sabatier è rimasto il limite di velocità catalitico.

Ricercatori del Centro di catalisi per l'innovazione energetica, finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, hanno scoperto che potevano infrangere il limite di velocità applicando onde al catalizzatore per creare un catalizzatore oscillante. L'onda ha un alto e un basso, e quando applicato, permette che entrambe le parti di una reazione chimica avvengano indipendentemente a velocità diverse. Quando l'onda applicata alla superficie del catalizzatore corrispondeva alla frequenza naturale di una reazione chimica, il tasso salì drammaticamente attraverso un meccanismo chiamato "risonanza".

"Ci siamo resi conto presto che i catalizzatori devono cambiare con il tempo, e si scopre che le frequenze da kilohertz a megahertz accelerano drasticamente i tassi di catalizzatore, " ha detto Paul Dauenhauer, un professore di ingegneria chimica e scienza dei materiali presso l'Università del Minnesota e uno degli autori dello studio.

Il limite di velocità catalitico, o Sabatier massimo, è accessibile solo per alcuni catalizzatori metallici. Altri metalli che hanno un legame più debole o più forte mostrano una velocità di reazione più lenta. Per questa ragione, i grafici della velocità di reazione del catalizzatore rispetto al tipo di metallo sono stati chiamati "trame a forma di vulcano" con il miglior catalizzatore statico esistente proprio nel mezzo al picco del vulcano.

"I migliori catalizzatori devono passare rapidamente da condizioni di legame forti a deboli su entrambi i lati del diagramma del vulcano, "ha detto Alex Ardagh, borsista post-dottorato presso il Centro di catalisi per l'innovazione energetica. "Se capovolgiamo la forza di legame abbastanza velocemente, i catalizzatori che saltano tra un legame forte e debole in realtà si comportano al di sopra del limite di velocità catalitica."

La capacità di accelerare le reazioni chimiche influisce direttamente su migliaia di tecnologie chimiche e dei materiali utilizzate per sviluppare fertilizzanti, Alimenti, combustibili, plastica, e altro ancora. Nel secolo scorso, questi prodotti sono stati ottimizzati utilizzando catalizzatori statici come i metalli supportati. Velocità di reazione migliorate potrebbero ridurre significativamente la quantità di attrezzature necessarie per produrre questi materiali e abbassare i costi complessivi di molti materiali di uso quotidiano.

Il notevole miglioramento delle prestazioni dei catalizzatori ha anche il potenziale per ridimensionare i sistemi per i processi chimici distribuiti e rurali. Grazie ai risparmi sui costi nei sistemi di catalizzatori convenzionali su larga scala, la maggior parte dei materiali viene prodotta solo in enormi luoghi centralizzati come le raffinerie. I sistemi dinamici più veloci possono essere processi più piccoli, che possono essere ubicati in località rurali come fattorie, piante di etanolo, o installazioni militari.

"Questo ha il potenziale per cambiare completamente il modo in cui produciamo quasi tutti i nostri prodotti chimici di base, materiali, e combustibili, " disse il professor Dionisios Vlachos, direttore del Centro di catalisi per l'innovazione energetica. "La transizione dai catalizzatori convenzionali a quelli dinamici sarà grande quanto il passaggio dall'elettricità diretta a quella a corrente alternata".