Los investigadores en energía rompen el límite de velocidad catalítica
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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 actual de velocidad de reacción. Estos hallazgos podrían aumentar la velocidad y reducir el costo de miles de procesos químicos utilizados en el desarrollo de fertilizantes, alimentos, combustibles, plásticos y más.
En las reacciones químicas, los científicos utilizan lo que se llaman catalizadores para acelerar las reacciones. Una reacción que ocurre en una superficie de catalizador, como un metal, se acelerará, pero sólo puede ir tan rápido como lo permita lo que se llama el principio de Sabatier. A menudo llamado "principio Ricitos de Oro" de la catálisis, el mejor catalizador posible tiene como objetivo equilibrar perfectamente dos partes de una reacción química. Las moléculas reactivas deben adherirse a una superficie metálica para no reaccionar ni muy fuerte ni muy débilmente, sino"bien". Desde que este principio se estableció cuantitativamente en 1960, el máximo de Sabatier ha seguido siendo el límite de velocidad catalítico.
Los investigadores del Centro de Catálisis para la Innovación Energética, financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, encontraron que podían romper el límite de velocidad aplicando ondas al catalizador para crear un catalizador oscilante. La onda 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 coincidía con la frecuencia natural de una reacción química, la velocidad aumentaba drásticamente a través de un mecanismo llamado "resonancia".
"Nos dimos cuenta desde el principio de que los catalizadores necesitan cambiar con el tiempo, y resulta que las frecuencias de kilohercios a megahercios aceleran drásticamente las tasas de catalizadores", dijo Paul Dauenhauer, profesor de ingeniería química y ciencias de los materiales de la Universidad de Minnesota y uno de los autores del estudio.
El límite de velocidad del catalizador, o máximo de Sabatier, sólo es accesible para unos pocos catalizadores metálicos. Otros metales que tienen una unión más débil o más fuerte muestran una tasa de reacción más lenta. Por esta razón, las parcelas de la velocidad de reacción del catalizador frente al tipo de metal han sido denominadas "parcelas en forma de volcán" con el mejor catalizador estático existente en el centro, en la cima del volcán.
"Los mejores catalizadores necesitan cambiar rápidamente entre condiciones de unión fuertes y débiles a ambos lados del diagrama del volcán", dijo Alex Ardagh, investigador post-doctoral en el Centro de Catálisis para la Innovación Energética. "Si volteamos la fuerza de encuadernación lo suficientemente rápido, los catalizadores que saltan entre una encuadernación fuerte y una débil actúan 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, plásticos y más. En el siglo pasado, estos productos se han optimizado utilizando catalizadores estáticos como los metales de apoyo. La mejora de las tasas de reacción podría reducir significativamente la cantidad de equipos necesarios para fabricar estos materiales y reducir los costes generales de muchos materiales de uso cotidiano.
La mejora drástica del rendimiento de los catalizadores también tiene el potencial de reducir los sistemas para procesos químicos distribuidos y rurales. Debido al ahorro de costes en sistemas de catalizadores convencionales a gran escala, la mayoría de los materiales sólo se fabrican en enormes ubicaciones centralizadas, como las refinerías. Los sistemas dinámicos más rápidos pueden ser procesos más pequeños, que pueden estar ubicados en lugares rurales como granjas, plantas de etanol o instalaciones militares.
"Esto tiene el potencial de cambiar completamente la forma en que fabricamos casi todos nuestros productos químicos, materiales y combustibles más básicos", dijo el profesor Dionisios Vlachos, director del Centro de Catálisis para la Innovación Energética. "La transición de catalizadores convencionales a catalizadores dinámicos será tan grande como el cambio de electricidad de corriente continua a alterna."
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