علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
7Things You May Not Know About Catalysis
(بقلم: لويز ليرنر ، مختبر أرجون الوطني – LOUISE LERNE ، ARGONNE NATIONAL LABORATORY)
المحفزات هي واحدة من تلك الأشياء التي يفكر فيها القليل من الناس كثيرًا ، ربما بخلاف الكيمياء في المدرسة الثانوية ، لكنها تجعل العالم يتحرك. المحفزات في كل مكان حولنا.
يعتمد كل شيء تقريبًا في حياتك اليومية على العوامل المحفزة: السيارات ، ورق الملاحظات اللاصقة ، منظفات الغسيل ، البيرة. جميع أجزاء الشطيرة – الخبز والجبن الشيدر والديك الرومي المشوي. المحفزات تكسر لب الورق لإنتاج الورق الناعم في مجلتك. ينظفون العدسات اللاصقة كل ليلة. إنهم يحولون الحليب إلى زبادي ونفط إلى أباريق حليب بلاستيكية وأقراص مدمجة وخوذات دراجات.
ما هو الحفز؟
تعمل المحفزات على تسريع التفاعل الكيميائي عن طريق خفض كمية الطاقة التي تحتاجها للحصول على واحد. الحفز هو العمود الفقري للعديد من العمليات الصناعية التي تستخدم التفاعلات الكيميائية لتحويل المواد الخام إلى منتجات مفيدة. المحفزات جزء لا يتجزأ من صناعة البلاستيك والعديد من العناصر المصنعة الأخرى.
حتى جسم الإنسان يعمل بالمحفزات. العديد من البروتينات في جسمك هي في الواقع محفزات تسمى الإنزيمات ، والتي تقوم بكل شيء بدءًا من إنشاء إشارات تحرك أطرافك إلى المساعدة في هضم طعامك. هم حقا جزء أساسي من الحياة.
يمكن أن يكون للأشياء الصغيرة نتائج كبيرة.
في معظم الحالات ، تحتاج فقط إلى قدر ضئيل من المحفز لإحداث فرق. حتى حجم جسيم المحفز يمكن أن يغير الطريقة التي يعمل بها التفاعل. في العام الماضي ، وجد فريق (Argonne) بما في ذلك عالم المواد (Larry Curtiss) أن محفزًا فضيًا واحدًا يكون أفضل في مهمته عندما يكون في جسيمات نانوية بعرض بضع ذرات فقط. (يحول المحفز البروبيلين إلى أكاسيد بروبيلين ، وهي الخطوة الأولى في صنع مادة مانعة للتجمد ومنتجات أخرى).
يمكن أن تجعل الأشياء أكثر خضرة.
غالبًا ما تنتج عمليات التصنيع الصناعية للبلاستيك والمواد الأساسية الأخرى منتجات ثانوية سيئة يمكن أن تشكل مخاطر على صحة الإنسان والبيئة. يمكن أن تساعد المحفزات الأفضل في حل هذه المشكلة. على سبيل المثال ، ينتج نفس محفز الفضة في الواقع عددًا أقل من المنتجات الثانوية السامة – مما يجعل التفاعل بأكمله أكثر ملاءمة للبيئة.
العامل المساعد في جوهره هو وسيلة لتوفير الطاقة. وتطبيق المحفزات على نطاق واسع يمكن أن يوفر للعالم الكثير من الطاقة. ثلاثة في المائة من كل الطاقة المستخدمة في الولايات المتحدة كل عام تذهب إلى تحويل الإيثان والبروبان إلى ألكينات ، والتي تستخدم في صناعة البلاستيك ، من بين أشياء أخرى. وهذا يعادل أكثر من 500 مليون برميل من البنزين.
المحفزات هي أيضًا المفتاح لإطلاق الوقود الحيوي. تحتوي كل الكتلة الحيوية – الذرة ، والعشب ، والأشجار – على مركب قوي يسمى السليلوز ، والذي يجب تكسيره لإنتاج الوقود. إن العثور على المحفز المثالي لتفكيك السليلوز من شأنه أن يجعل الوقود الحيوي أرخص وأكثر قابلية للتطبيق كمصدر للطاقة المتجددة.
في كثير من الأحيان ، ليس لدينا أي فكرة عن سبب عملهم.
غالبًا ما تظل الأسباب الدقيقة لعمل المحفزات لغزًا للعلماء. يعمل كيرتس في التحفيز الحاسوبي: استخدام أجهزة الكمبيوتر لمعالجة التفاعل المعقد للفيزياء والكيمياء والرياضيات التي تشرح كيفية عمل المحفز.
بمجرد أن يكتشفوا العملية ، يمكن للعلماء محاولة بناء محفز يعمل بشكل أفضل من خلال محاكاة كيفية عمل المواد المختلفة بدلاً من ذلك. يمكن أن تصل التكوينات المحتملة للمحفزات الجديدة إلى آلاف المجموعات ، وهذا هو السبب في أن أجهزة الكمبيوتر العملاقة هي الأفضل في التعامل معها.
عندما كان إديسون يصنع المصباح الكهربائي ، اختبر حرفيًا مئات من الخيوط المختلفة (من المحتمل أن يختبر صبر مساعديه في المختبر أيضًا) قبل اكتشاف الفتيل المكربن. من خلال الاستفادة من أجهزة الكمبيوتر العملاقة والتكنولوجيا الحديثة ، يمكن للعلماء تسريع سنوات الاختبار والتكاليف للوصول إلى اختراقات.
يدير كيرتس عمليات محاكاة على كمبيوتر (Argonne Blue Gene / P) العملاق لتصميم محفزات جديدة محتملة. قال: “نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر العملاقة أصبحت أسرع ، فقد تمكنا من القيام بأشياء لم نكن قادرين على القيام بها قبل 10 سنوات”.
يمكن أن تكون ضرورية للثورة الكبيرة القادمة في البطاريات.
ساعدت بطاريات الليثيوم أيون الفعالة حديثًا في تحويل هواتف السيارات القديمة إلى هواتف محمولة رفيعة وأنيقة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة المتوفرة اليوم. لكن العلماء يبحثون بالفعل عن الثورة القادمة في البطاريات – ثورة يمكنها يومًا ما أن تجعل البطارية خفيفة وقوية بما يكفي لقيادة السيارة على بعد 500 ميل في كل مرة. فكرة واعدة هي بطاريات الليثيوم الهوائية ، والتي تستخدم الأكسجين من الهواء كمكون أساسي. لكن هذه البطارية الجديدة ستتطلب تجديدًا كاملاً للكيمياء الداخلية ، وستحتاج إلى محفز جديد قوي لجعلها تعمل. تعمل بطارية الليثيوم الهوائية عن طريق الجمع بين ذرات الليثيوم والأكسجين ثم تفكيكها مرارًا وتكرارًا. هذا وضع مصمم خصيصًا لمحفز ، والحالة الجيدة ستجعل التفاعل أسرع وتجعل البطارية أكثر كفاءة.
كيف تصنع محفز جديد؟
الخطوة الأولى هي فهم الكيمياء الكامنة وراء التفاعلات. ثم يمكن للعلماء استخدام النمذجة لتصميم محفزات جديدة محتملة واختبارها في المختبر. لكن هذه الخطوة الأولى صعبة ما لم تتمكن من النزول إلى المستوى الذري لمعرفة ما يحدث أثناء التفاعل. هذا هو المكان الذي تتألق فيه المرافق العلمية الكبيرة مثل مصدر الفوتون المتقدم (APS) من (Argonne).
في (APS) ، يمكن للعلماء استخدام ألمع الأشعة السينية في الولايات المتحدة لتتبع ردود الفعل في الوقت الحقيقي. في مركز الفحص المجهري الإلكتروني بالمختبر ، يلتقط الباحثون صورًا للذرات أثناء تفاعلها. استخدم كيرتس والفريق كلاهما في بحثهم عن محفزات أفضل.
المصدر:
https://scitechdaily.com/7-things-you-may-not-know-about-catalysis/
