Un equipo de investigadores de la Universidad de Minnesota y la Universidad de Massachusetts Amherst ha descubierto una nueva tecnología que puede acelerar las reacciones químicas 10, 000 veces más rápido que el límite de velocidad de reacción actual. Estos hallazgos podrían aumentar la velocidad y reducir el costo de miles de procesos químicos utilizados en el desarrollo de fertilizantes. alimentos combustibles plástica, y más.

La investigación se publica en línea en Catálisis ACS , una revista líder de la American Chemical Society.

En reacciones químicas, los científicos usan lo que se llaman catalizadores para acelerar las reacciones. Una reacción que ocurre en la superficie de un catalizador, como un metal, se acelerará, pero solo puede ir tan rápido como lo permita lo que se llama el principio de Sabatier. A menudo llamado el "principio de Ricitos de Oro" de la catálisis, el mejor catalizador posible tiene como objetivo equilibrar perfectamente dos partes de una reacción química. Las moléculas que reaccionan deben adherirse a una superficie metálica para no reaccionar ni demasiado fuerte ni demasiado débil. pero "justo". Dado que este principio se estableció cuantitativamente en 1960, el máximo de Sabatier sigue siendo el límite de velocidad catalítica.

Investigadores del Centro Catalysis para la Innovación Energética, financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., encontraron que podían romper el límite de velocidad aplicando ondas al catalizador para crear un catalizador oscilante. La ola tiene una parte superior e inferior, y cuando se aplica, permite que ambas partes de una reacción química ocurran independientemente a diferentes velocidades. Cuando la onda aplicada a la superficie del catalizador coincide con la frecuencia natural de una reacción química, la tasa aumentó drásticamente a través de un mecanismo llamado "resonancia".

"Nos dimos cuenta desde el principio de que los catalizadores deben cambiar con el tiempo, y resulta que las frecuencias de kilohercios a megahercios aceleran drásticamente las tasas de catalizador, "dijo Paul Dauenhauer, profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad de Minnesota y uno de los autores del estudio.

El límite de velocidad catalítica, o Sabatier máximo, sólo es accesible para unos pocos catalizadores metálicos. Otros metales que tienen una unión más débil o más fuerte exhiben una velocidad de reacción más lenta. Por esta razón, los gráficos de la velocidad de reacción del catalizador frente al tipo de metal se han denominado "gráficos en forma de volcán" con el mejor catalizador estático existente justo en el medio en el pico del volcán.

"Los mejores catalizadores necesitan cambiar rápidamente entre condiciones de unión fuerte y débil en ambos lados del diagrama del volcán, "dijo Alex Ardagh, becario postdoctoral en el Centro Catalysis de Innovación Energética. "Si cambiamos la fuerza de unión lo suficientemente rápido, los catalizadores que saltan entre la unión fuerte y débil en realidad funcionan por encima del límite de velocidad catalítica ".

La capacidad de acelerar las reacciones químicas afecta directamente a miles de tecnologías químicas y de materiales utilizadas para desarrollar fertilizantes. alimentos combustibles plástica, y más. En el siglo pasado, estos productos se han optimizado utilizando catalizadores estáticos como metales soportados. Las velocidades de reacción mejoradas podrían reducir significativamente la cantidad de equipo necesario para fabricar estos materiales y reducir los costos generales de muchos materiales cotidianos.

La mejora espectacular en el rendimiento del catalizador también tiene el potencial de reducir la escala de los sistemas para procesos químicos distribuidos y rurales. Debido al ahorro de costos en los sistemas de catalizadores convencionales a gran escala, la mayoría de los materiales solo se fabrican en enormes ubicaciones centralizadas, como refinerías. Los sistemas dinámicos más rápidos pueden ser procesos más pequeños, que se pueden ubicar en lugares rurales como granjas, plantas de etanol, o instalaciones militares.

"Esto tiene el potencial de cambiar por completo la forma en que fabricamos casi todos nuestros productos químicos más básicos, materiales y combustibles, "dijo el profesor Dionisios Vlachos, director del Centro de Catálisis de Innovación Energética. "La transición de catalizadores convencionales a dinámicos será tan grande como el cambio de electricidad de corriente directa a alterna".