Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Minnesota e da Universidade de Massachusetts Amherst descobriu uma nova tecnologia que pode acelerar as reações químicas 10, 000 vezes mais rápido do que o limite da taxa de reação atual. Essas descobertas podem aumentar a velocidade e reduzir o custo de milhares de processos químicos usados ​​no desenvolvimento de fertilizantes, alimentos, combustíveis, plásticos, e mais.

A pesquisa é publicada online em Catálise ACS , um jornal líder da American Chemical Society.

Em reações químicas, os cientistas usam o que chamamos de catalisadores para acelerar as reações. Uma reação que ocorre na superfície de um catalisador, como um metal, vai acelerar, mas só pode ir tão rápido quanto permitido pelo que é chamado de princípio do Sabatier. Freqüentemente chamado de "princípio Goldilocks" da catálise, o melhor catalisador possível visa equilibrar perfeitamente duas partes de uma reação química. As moléculas reagentes devem aderir a uma superfície de metal para reagir nem muito forte nem muito fraca, mas "apenas certo". Uma vez que este princípio foi estabelecido quantitativamente em 1960, o máximo de Sabatier permaneceu como o limite de velocidade catalítica.

Pesquisadores do Centro de Catálise para Inovação Energética, financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, descobriram que eles poderiam quebrar o limite de velocidade aplicando ondas ao catalisador para criar um catalisador oscilante. A onda tem um topo e um fundo, e quando aplicado, permite que ambas as partes de uma reação química ocorram independentemente em velocidades diferentes. Quando a onda aplicada à superfície do catalisador combinou com a frequência natural de uma reação química, a taxa aumentou dramaticamente por meio de um mecanismo chamado "ressonância".

"Percebemos logo no início que os catalisadores precisam mudar com o tempo, e acontece que as frequências de quilohertz a megahertz aceleram drasticamente as taxas de catalisador, "disse Paul Dauenhauer, professor de engenharia química e ciência dos materiais na Universidade de Minnesota e um dos autores do estudo.

O limite de velocidade catalítica, ou máximo de Sabatier, só é acessível para alguns catalisadores de metal. Outros metais que têm ligação mais fraca ou mais forte exibem taxa de reação mais lenta. Por esta razão, os gráficos da taxa de reação do catalisador em relação ao tipo de metal têm sido chamados de "gráficos em forma de vulcão", com o melhor catalisador estático existente bem no meio do pico do vulcão.

"Os melhores catalisadores precisam alternar rapidamente entre as condições de ligação fortes e fracas em ambos os lados do diagrama do vulcão, "disse Alex Ardagh, pós-doutorado no Catalysis Center for Energy Innovation. "Se mudarmos a força de ligação com rapidez suficiente, os catalisadores que saltam entre a ligação forte e fraca realmente funcionam acima do limite de velocidade catalítica. "

A capacidade de acelerar reações químicas afeta diretamente milhares de tecnologias químicas e de materiais usadas para desenvolver fertilizantes, alimentos, combustíveis, plásticos, e mais. No século passado, esses produtos foram otimizados usando catalisadores estáticos, como metais suportados. Taxas de reação aprimoradas podem reduzir significativamente a quantidade de equipamento necessário para fabricar esses materiais e diminuir os custos gerais de muitos materiais do dia-a-dia.

O aprimoramento dramático no desempenho do catalisador também tem o potencial de reduzir os sistemas para processos químicos distribuídos e rurais. Devido à economia de custos em sistemas de catalisador convencionais em grande escala, a maioria dos materiais é fabricada apenas em enormes locais centralizados, como refinarias. Sistemas dinâmicos mais rápidos podem ser processos menores, que podem estar localizados em locais rurais, como fazendas, usinas de etanol, ou instalações militares.

"Isso tem o potencial de mudar completamente a maneira como fabricamos quase todos os nossos produtos químicos mais básicos, materiais, e combustíveis, "disse o professor Dionisios Vlachos, diretor do Centro de Catálise para Inovação Energética. "A transição de catalisadores convencionais para dinâmicos será tão grande quanto a mudança de eletricidade de corrente direta para alternada."