Ученые НИТУ «МИСиС» придумали, как без экспериментов определять активность потенциальных катализаторов (ускорителей химических реакций). Поиски катализаторов химических реакций — один из классических примеров эмпирической науки, когда для получения ответа приходится действовать перебором вариантов или, как шутят ученые, «методом научного тыка». Очень похожие по свойствам вещества могут давать совершенно разную каталитическую активность. И пока ученым приходилось лишь измерять её.

Но если научиться предсказывать способность вещества катализировать ту или иную реакцию, это выведет поиски катализаторов на принципиально другой уровень: во-первых, избавит ученых от тысяч пустых экспериментов; во-вторых, позволит найти ещё более эффективные катализаторы для уже реализуемых в промышленности реакций. И то, и другое достижение в каждом случае может привести к многомиллиардным прибылям и даже к революции в химической промышленности, сравнимой с изобретением синтетического каучука или полиэтилена низкого давления.

Своих более эффективных катализаторов «ждут» тысячи химических процессов. Особенно это касается нефтехимии (переработка тяжелых фракций нефти) и химического синтеза. Большая часть всех проводимых в промышленных масштабах химических реакций – каталитические. Поэтому поиском более совершенных катализаторов занимаются научные группы по всему миру.

С появлением нанотехнологий список возможных катализаторов увеличился на порядки. Зато химики выделили несколько новых разновидностей веществ, которые склонны проявлять отличные каталитические свойства. Одна из них – наночастицы драгоценных металлов (например, золота или платины). Правда, в зависимости от размера частиц их каталитические свойства меняются. И чтобы не заниматься опять перебором миллионов пар (возможный катализатор – реакция), и Университета Линчёпинга (Швеция) под руководством одного из ведущих мировых ученых профессора Игоря Абрикосова взялась вычислить эту зависимость при помощи суперкомпьютерного кластера Cherry, установленного в НИТУ «МИСиС» в рамках мегагранта Правительства РФ.

«Существует гипотеза, что изменение электронных уровней в атомах катализатора коррелирует с его каталитической активностью, – рассказывает соавтор статьи, сотрудник лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» Алексей Таль. – Это означает, что вместо дорогой серии из нескольких сотен или тысяч экспериментов по проверке каталитической активности предполагаемых катализаторов достаточно просто провести анализ рентгеновских спектров».

Гипотеза основана на опубликованной в журнале Science работе, в которой подобный эффект продемонстрировали в экспериментах с палладием ученые из университета Юты (Солт-Лейк-Сити, США). Алексей Таль подчеркнул, что анализ рентгеновских спектров является оптимальной стратегией расчетов. Теперь, когда изменения электронных уровней в нанокластерах вычислены, ученым НИТУ «МИСиС» предстоит сделать следующий шаг. Ученые собираются вычислить энергию поглощения для тех же кластеров, которая и служит мерилом каталитической активности, и составить прогностическую таблицу, по которой можно будет вычислять способность к катализу для любых наночастиц по измеренным изменениям в электронных уровнях.

«Для некоторых систем такие расчеты уже проводились, однако такой системный подход, который позволяет однозначную установить зависимость между изменениями в электронных уровнях и каталитической активностью, пока никто не использовал», – отметил Алексей Таль.

Kareliyanews.ru