Un team di ricercatori dell'Università del Minnesota, Università del Massachusetts Amherst, Università del Delaware, e l'Università della California di Santa Barbara hanno inventato la tecnologia del catalizzatore oscillante in grado di accelerare le reazioni chimiche senza reazioni collaterali o errori chimici. La tecnologia innovativa può essere incorporata in centinaia di tecnologie chimiche industriali per ridurre gli sprechi di migliaia di tonnellate ogni anno, migliorando le prestazioni e l'efficienza in termini di costi della produzione dei materiali.

Questa ricerca è pubblicata in Scienze chimiche , la prima rivista della Royal Society of Chemistry.

Nelle reazioni chimiche, gli scienziati usano i cosiddetti catalizzatori per accelerare le reazioni. Una reazione chimica che si verifica su una superficie del catalizzatore come un metallo accelererà più velocemente delle reazioni collaterali indesiderabili. Quando la reazione primaria è molto più veloce di ogni altra reazione secondaria, allora il catalizzatore è bravo a selezionare i prodotti più pregiati. Le reazioni collaterali sono errori nel controllo della chimica, e si traducono in una generazione significativa di materiale sprecato e perdite economiche.

I ricercatori del Centro di catalisi per l'innovazione energetica, finanziato dal Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, hanno avuto una svolta quando si sono resi conto che potevano progettare una nuova classe di catalizzatori che acceleravano notevolmente le reazioni di superficie primarie usando le onde. Quando la frequenza e l'ampiezza dell'onda applicata corrispondono alle caratteristiche della chimica primaria, allora quella reazione diventa migliaia di volte più veloce di tutte le altre reazioni collaterali. Il catalizzatore in queste condizioni d'onda essenzialmente smette di commettere errori ai prodotti collaterali.

"Tutte le reazioni chimiche hanno frequenze naturali, come le corde di un pianoforte o di una chitarra, " ha detto Paul Dauenhauer, l'autore principale dello studio e professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali presso il College of Science and Engineering dell'Università del Minnesota. "Quando troviamo quella giusta frequenza di una reazione catalitica desiderata, allora il catalizzatore diventa quasi perfetto:le reazioni dispendiose si fermano quasi completamente."

La scoperta ha un significato particolare per la produzione di sostanze chimiche chiave nel settore energetico, materiali, cibo, e industrie mediche. Le sostanze chimiche più importanti sono prodotte su vasta scala industriale in modo tale che anche catalizzatori ben sviluppati formano alcuni prodotti collaterali, generando migliaia di tonnellate di rifiuti all'anno.

I ricercatori sono stati in grado di spiegare ampiamente la relazione tra i diversi tipi di sostanze chimiche e le frequenze delle onde superficiali che controllano gli errori del catalizzatore.

"Una molecola su una superficie può percorrere diversi percorsi energetici, ma il catalizzatore oscillante può controllare quasi completamente quale percorso seleziona la molecola, compreso impedire alle molecole di muoversi lungo i condotti energetici indesiderati sulla superficie del catalizzatore, "ha detto Alex Ardagh, il primo autore del documento di ricerca e uno studioso di ricerca post-dottorato presso l'Università del Minnesota.

La scoperta di prodotti altamente selettivi, catalizzatori senza errori si basa sul precedente sviluppo della teoria catalitica dinamica sviluppata dallo stesso gruppo. I catalizzatori convenzionali che mostrano un controllo ottimale sulle reazioni catalitiche hanno energie superficiali specifiche per una particolare chimica. Però, i nuovi catalizzatori dinamici che cambiano come un'onda, oscillare l'energia di legame tra più forte e più debole rispetto all'energia superficiale convenzionale.

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