El Instituto Flatiron de la Fundación Simons ha lanzado una nueva iniciativa centrada en avanzar en la ciencia de la catálisis. La Iniciativa para la Catálisis Computacional (ICC), que comenzó sus operaciones el 1 de julio, aprovechará las técnicas computacionales para estudiar y diseñar sustancias llamadas catalizadores que aceleran las reacciones químicas. Estas sustancias prometen ser instrumentales en la generación de energía limpia y en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero de los procesos industriales.
“Estas son grandes preguntas que son difíciles de abordar desde el primer paso del proceso hasta el final”, dice Ángel Rubio, quien dirigirá la iniciativa junto con su compañero codirector Timothy Berkelbach. “Pero en el ICC, tendremos toda una cadena de investigadores con experiencia complementaria que pueden manejar todos los temas de una pregunta multi-escala de catálisis.”
El objetivo final del ICC es desarrollar catalizadores más eficientes y asequibles. La presencia de un catalizador acelera las reacciones químicas sin que el catalizador mismo se consuma. Por ejemplo, el convertidor catalítico en el sistema de escape de un automóvil a gasolina convierte los subproductos peligrosos de la combustión en sustancias relativamente menos dañinas, como el vapor de agua y el dióxido de carbono. Alrededor del 90 por ciento de la fabricación química por volumen depende de los catalizadores, incluida la producción de productos químicos vitales como fertilizantes, productos farmacéuticos y suplementos vitamínicos.
Sin embargo, el diseño de nuevos catalizadores es complicado, ya que la química involucrada puede ser increíblemente compleja. Los científicos de la iniciativa estudiarán una gama de catalizadores utilizando herramientas de aprendizaje automático, dinámica molecular e investigación de estructura electrónica. Los científicos del ICC también colaborarán con otros investigadores del Instituto Flatiron y grupos de socios experimentales externos para permitir nuevos avances en el campo.
“Los catalizadores son esenciales para nuestro suministro de alimentos y gran parte de la vida diaria”, dice el presidente de la Fundación Simons, David Spergel. “Si el ICC puede avanzar significativamente en nuestra capacidad para producir nuevos materiales catalíticos, podría tener un profundo impacto a largo plazo en nuestro medio ambiente y nuestro suministro de alimentos. El ICC es un proyecto de alto riesgo y alta recompensa.”
El ICC es la primera iniciativa en el nuevo programa de iniciativas del Instituto Flatiron, que tiene como objetivo apoyar a los equipos de investigación que se centran en temas importantes al proporcionar recursos y un espacio dedicado durante un período de 10 años. El ICC comienza con un equipo de ocho personas, pero eventualmente crecerá hasta un grupo de alrededor de 25, que incluirá científicos senior, investigadores posdoctorales, investigadores invitados, ingenieros de software y otro personal.
“Poner a todas esas personas bajo el mismo techo con aproximadamente los mismos objetivos de reacciones catalíticas específicas es extremadamente raro”, dice Rubio.
La relativamente gran cantidad de personal permitirá al grupo comprender de manera integral los problemas en la catálisis, dice Rubio. Los científicos investigarán cómo se comportan los electrones individuales durante femtosegundos (millonésimas de milmillonésimas de segundo) y cómo se comportan grandes colecciones de átomos durante escalas de tiempo miles de millones de veces más largas.
Abordar esa gama de escalas es un desafío de larga data, pero afortunadamente, el campo finalmente está alcanzando un punto de inflexión con los avances en los modelos computacionales y las capacidades de computación, dice Rubio. Los modelos y herramientas computacionales fundamentales en el campo están a punto de aplicarse a problemas altamente complejos, la mayoría de los cuales se encuentran en la catálisis. Además, la investigación en catálisis es más esencial que nunca para desarrollar nuevas soluciones al cambio climático.
“Muchos de los procesos que nos harán avanzar hacia una economía de energía renovable se verán facilitados por la catálisis”, dice Berkelbach.
Por ejemplo, el hidrógeno es un combustible limpio prometedor y un ingrediente clave en la síntesis de los casi 200 millones de toneladas métricas de amoníaco que se utilizan anualmente para fertilizantes. Sin embargo, la mayor parte de este hidrógeno se produce utilizando gas natural, creando inmensas cantidades de dióxido de carbono en el proceso. Sin embargo, existe una alternativa. Un proceso conocido como división del agua puede producir hidrógeno a partir del agua sin el subproducto de carbono, pero es demasiado costoso para ser utilizado ampliamente en entornos comerciales.
“Se sabe que los catalizadores facilitan este proceso de división del agua”, dice Berkelbach. “Pero hay mucha investigación básica que se debe hacer para comprender cómo podemos diseñar catalizadores que sean más eficientes, más asequibles de fabricar y más duraderos: todo lo que realmente lo haría económicamente viable”.
El ICC se integrará con los cinco centros del Instituto Flatiron, incluido el Centro de Física Cuántica Computacional (CCQ), el Centro de Biología Computacional (CCB) y el Centro de Matemáticas Computacionales (CCM), que también se beneficiarán de la colaboración.
“Además de tener acceso a las personas y los recursos del Instituto Flatiron, una novedad de nuestra iniciativa es que también podremos participar en actividades experimentales a través de colaboraciones con otras instituciones de primer nivel”, dice Rubio.
El ICC también busca desarrollar herramientas clave que pueda utilizar toda la comunidad de la catálisis. “Queremos generar software que empodere a toda la comunidad para que tenga más influencia en la capacidad de estudiar la catálisis”, dice Berkelbach. “Queremos crear herramientas que no existen y que podrían cambiar la precisión y la velocidad con la que hacemos predicciones”.
El ICC aprovechará la experiencia y la experiencia que Rubio y Berkelbach han adquirido a lo largo de sus carreras, incluido su tiempo en el CCQ. Además de ser científico investigador distinguido en el CCQ, Rubio es el director gerente del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia y el director de su departamento de teoría, profesor distinguido de física en la Universidad del País Vasco y profesor de física en la Universidad de Hamburgo. Es uno de los fundadores de la Instalación Europea de Espectroscopia Teórica y el creador del proyecto de código abierto ab initio Octopus ampliamente utilizado. Es miembro de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos, la Academia Alemana Leopoldina y la Academia de Ciencias de China.
Berkelbach fue científico investigador en el CCQ de 2019 a 2022. También es profesor asociado en el departamento de química de la Universidad de Columbia y recibió el Premio Nacional Fresenius de la Sociedad Americana de Química, el premio CAREER de la Fundación Nacional de Ciencias, el Premio a la Carrera Temprana del Departamento de Energía y el Premio Presidencial a la Carrera Temprana para Científicos e Ingenieros.
ACERCA DEL INSTITUTO FLATIRON
El Instituto Flatiron es la división de investigación de la Fundación Simons. La misión del instituto es avanzar en la investigación científica a través de métodos computacionales, incluido el análisis de datos, la teoría, el modelado y la simulación.
