Все мы, видимо, еще в средней школе узнали о том, что существуют вещества, ускоряющие химические реакции, но сами в них не участвующие и не входящие в состав конечных продуктов, и что эти вещества называются катализаторами. Примечательно, что в китайском языке катализатор и сваха обозначаются одним и тем же иероглифом: они действительно выполняют сходную посредническую функция.

Без катализа - "и не туды, и не сюды"

Правда, сегодня слово "катализатор" у большинства ассоциируется, как правило, с устройством, расположенным в выхлопной трубе автомобиля и предназначенным для снижения токсичности отработавших газов.

Между тем, без катализаторов было бы невозможно и само наше существование, потому что едва ли не все биохимические реакции в живом организме протекают только в присутствии ферментов, то есть биологических катализаторов. И современная промышленность тоже остро нуждается в катализаторах: достаточно сказать, что от 80 до 90 процентов всей продукции химической отрасли производится с их помощью. Без катализаторов мы не получили бы ни капли бензина, ни крупицы удобрений. Многие производственные процессы были бы без них вообще невозможны, а все остальные потребовали бы значительно более высоких энергозатрат.

С одной стороны, катализаторы позволяют осуществлять реакции при более низких температурах и давлениях, с другой стороны, они обеспечивают получение максимального количества конечного продукта. Мировой рынок катализаторов оценивается в 10 с лишним миллиардов евро, а создаваемая за счет катализа добавленная стоимость - еще в 100 или даже в 1000 раз выше. Недаром исследования в области катализа удостоились уже многих Нобелевских премий по химии - в частности, и в нынешнем году.

Последовательные тесты - это неэффективно

Проблема в том, что поиск катализаторов, наиболее подходящих для той или иной химической реакции, то есть таких, которые способны обеспечить ее наиболее эффективное протекание, - дело само по себе сложное, долгое и энергоемкое. Вернее, было таковым. Потому что инновация, представленная теперь на соискание Немецкой премии будущего, позволяет решать эту задачу в 100 раз быстрее, чем до сих пор.

Систему экспресс-тестирования химических веществ на их пригодность в качестве катализаторов разработали Ферди Шют (Ferdi Schüth), директор Института по изучению углерода Общества имени Макса Планка в Мюльхайме-на-Руре и двое научных сотрудников компании hte (High Throughput Experimentation Company) в Гейдельберге - Дирк Демут (Dirk Demuth) и Вольфрам Штихерт (Wolfram Stichert).

"Обычно катализатор представляет собой некий твердый материал в форме порошка или гранулята, - поясняет профессор Шют. - Раньше испытания выглядели так: катализатор омывался реакционной средой - например, каким-то жидким раствором или газовой смесью. По прошествии определенного времени - это могли быть и часы, и дни, и даже недели, в зависимости от того, о какой реакции шла речь, - исследователь анализировал продукты реакции и таким образом выяснял, насколько эффективным был данный катализатор. Затем он проводил такой же эксперимент со следующим кандидатом в катализаторы, и так далее".

Позаимствовали и усовершенствовали...

Понятно, что такое последовательное тестирование может занять месяцы, а то и годы. Ученые, выдвинутые теперь на соискание Немецкой премии будущего, решили попробовать осуществить несколько таких тестов параллельно. И преуспели. На сегодняшний день созданная ими система позволяет испытывать одновременно и в строго одинаковых условиях 625 кандидатов в катализаторы. Ключевым элементом установки является блок с множеством тонких трубочек, в которые подается реакционная среда. В каждый из канальцев помещается гильза с одним из испытуемых веществ. Анализируя составы смеси на выходе, система определяет, какое из веществ оказалось наиболее эффективным катализатором.

Сама по себе эта идея - запустить в одной компактной системе десятки или даже сотни химических реакций параллельно - уже давно нашла применение в фармацевтической промышленности: таким образом там испытывают различные субстанции на пригодность в качестве лекарственных препаратов или биологически активных компонентов.

Однако тестирование кандидатов в катализаторы связано с особыми трудностями - достаточно упомянуть высокие температуры протекания реакций, обычно составляющие несколько сот градусов Цельсия. Поэтому от разработчиков потребовалось немало изобретательности и выдумки, чтобы справиться с этими трудностями. Им пришлось разработать новые средства высокоскоростного измерения и химического анализа, новые устройства прецизионного поддержания заданных параметров реакций, новое программное обеспечение для компьютерной обработки результатов.

С тех пор, как это инновационное оборудование впервые появилось на рынке, прошло 10 лет. За это время суммарный оборот компании hte составил уже 100 миллионов евро, а количество ее сотрудников превысило 160 человек.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева