Immaginiamo di voler ricostruire una storia conoscendone soltanto alcuni momenti.
Forse potremmo riuscire a intuire come va a finire, ma rischieremmo di perdere proprio l’evento che dà senso a tutto il resto.
In chimica succede qualcosa di simile: quando una reazione coinvolge centinaia o migliaia di trasformazioni microscopiche, concentrarsi soltanto su quelle che sembrano più importanti può significare trascurare il passaggio decisivo.
È un problema tutt’altro che teorico quando si cerca di trasformare l’anidride carbonica (CO₂), uno dei principali protagonisti del riscaldamento globale, in combustibili e sostanze chimiche utili. Un gruppo di ricercatori dell’Indian Institute of Science (IISc) ha affrontato questa difficoltà combinando simulazioni quantistiche e apprendimento automatico.
Il risultato? Una rete chimica passata da 152 a 9.389 reazioni elementari, con conseguenze sorprendenti sulle previsioni del processo.
by O. D. B.
Lo studio, pubblicato su Nature Communications, non ha semplicemente aggiunto migliaia di dettagli a un modello già esistente. Ha mostrato che alcune delle semplificazioni utilizzate per descrivere la conversione della CO₂ potevano portare a conclusioni sbagliate: persino sull’identità dei prodotti che la reazione avrebbe dovuto generare.
Il problema delle reazioni che non vediamo
Una strada promettente per riciclare l’anidride carbonica è l’idrogenazione: in presenza di un catalizzatore, la CO₂ reagisce con l’idrogeno e può essere trasformata in sostanze come il metanolo, utilizzabile come materia prima nell’industria chimica e potenziale vettore energetico.
Il catalizzatore è il materiale che favorisce la reazione, modificandone il percorso e rendendo più agevoli determinate trasformazioni. Ma la sua superficie non è un semplice palcoscenico sul quale due molecole si incontrano e danno vita a un prodotto. È piuttosto un ambiente dinamico, popolato da specie chimiche che si formano, reagiscono e si trasformano attraverso numerosi passaggi intermedi.
Ricostruire tutti questi passaggi richiede calcoli complessi. Le simulazioni basate sulla meccanica quantistica permettono di studiare il comportamento degli atomi e di stimare le barriere energetiche che le reazioni devono superare. Applicarle a ogni trasformazione possibile, però, comporta un costo computazionale enorme. Per questo, normalmente, i ricercatori selezionano un numero relativamente piccolo di reazioni considerate decisive.
Ma come essere sicuri di non aver escluso proprio quella che cambia il risultato finale?
«Siamo partiti da una preoccupazione comune a chiunque si occupi di modellazione meccanicistica: come si fa a sapere che la propria rete di reazioni non abbia omesso il passaggio cruciale?», spiega Anand Mohan Verma, primo autore dello studio, che ha condotto la ricerca durante il suo periodo di post-dottorato all’IISc e oggi professore assistente al Motilal Nehru National Institute of Technology Allahabad.
La domanda è semplice. La risposta, decisamente meno.
Dalle 152 reazioni alle 9.389 possibilità
Il gruppo ha cominciato costruendo, attraverso calcoli di meccanica quantistica, un insieme di dati comprendente 152 reazioni elementari legate alla idrogenazione della CO₂ su un catalizzatore di rame. Questo materiale è già utilizzato nella ricerca sulla conversione dell’anidride carbonica in prodotti chimici, ma comprenderne il comportamento significa ricostruire una rete di trasformazioni molto più articolata di quanto suggerisca una singola equazione chimica.
A questo punto è entrato in gioco l’apprendimento automatico. I ricercatori hanno addestrato modelli capaci di stimare rapidamente le barriere energetiche di ulteriori reazioni, riducendo il peso dei calcoli necessari per esplorare nuove possibilità.
Strumenti computazionali automatizzati hanno poi esaminato le trasformazioni accessibili a 105 specie chimiche presenti sulla superficie del catalizzatore, identificando quali passaggi potessero avvenire in una singola reazione elementare. La rete iniziale si è così allargata fino a comprendere 9.389 reazioni.
Ma la differenza non è stata soltanto sulla quantità.
«Quando abbiamo modellato il processo utilizzando le 152 reazioni considerate inizialmente, la rete ha erroneamente previsto l’acido formico, e non il metanolo, come prodotto principale, e ha sottostimato la quantità di CO₂ convertita. Solo quando abbiamo ampliato la rete per includere migliaia di reazioni aggiuntive, precedentemente trascurate, le previsioni si sono allineate con ciò che noi e altri osserviamo sperimentalmente», spiega l’autore corrispondente Ananth Govind Rajan, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’IISc.
Quando è stata considerata la rete più ampia, le previsioni si sono avvicinate ai risultati sperimentali. La conversione prevista dell’anidride carbonica è aumentata di circa 40 volte rispetto a quella calcolata con il modello originale. Il modello ampliato ha inoltre individuato correttamente metanolo e monossido di carbonio tra i principali prodotti.
Non significa che i ricercatori abbiano improvvisamente moltiplicato per quaranta la quantità di combustibile ottenibile in laboratorio. È il modello a prevedere una conversione molto maggiore rispetto alla stima iniziale: un miglioramento della descrizione teorica, non la dimostrazione di un aumento equivalente delle prestazioni di un impianto industriale.
L’idrogeno prende una strada inattesa
La rete ampliata ha riservato un’altra sorpresa, forse ancora più interessante della correzione delle previsioni: il modo in cui l’idrogeno può partecipare alle reazioni.
Nella descrizione convenzionale di molti processi catalitici, l’idrogeno molecolare (H₂) viene prima scisso in atomi, che vengono poi trasferiti alle specie chimiche coinvolte nella reazione. Le simulazioni dei ricercatori suggeriscono invece che, in alcuni passaggi importanti, l’idrogeno possa essere trasferito direttamente sotto forma di molecola intatta, senza separarsi preventivamente nei suoi due atomi: questo percorso può essere particolarmente favorevole quando l’idrogeno viene trasferito a intermedi contenenti ossigeno.
«L’idea che l’idrogeno possa trasferirsi come molecola intatta, senza prima scindersi in atomi, è in contrasto con ciò che la maggior parte di noi ha imparato», osserva Shivam Chaturvedi, coautore dello studio e dottorando presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’IISc. E aggiunge: «Questo è emerso solo perché la rete era sufficientemente ampia da consentirlo, e l’osservazione è stata confermata quando abbiamo ricalcolato esplicitamente quei passaggi. Ciò suggerisce anche che i catalizzatori che interagiscono più fortemente con l’H₂ potrebbero potenzialmente migliorare i percorsi che portano al metanolo».
Dal metanolo al metano: una sfida più ampia…spaziale!
La ricerca dell’IISc si inserisce in un filone di studi che punta a utilizzare l’energia elettrica rinnovabile per convertire la CO₂ in prodotti di valore. E non esiste un’unica destinazione possibile.
Un altro lavoro, pubblicato su Industrial and Engineering Chemistry Research e guidato da Ananth Govind Rajan, ha individuato nell’alluminio un promettente elemento da aggiungere al disolfuro di molibdeno, un materiale catalitico bidimensionale. Attraverso la modellazione quantomeccanica dei meccanismi di reazione, il gruppo ha identificato una configurazione potenzialmente efficace per favorire la conversione elettrochimica della CO₂ in metano.
Metanolo e metano non sono la stessa cosa: il primo è un alcol utilizzato soprattutto come materia prima chimica e possibile combustibile; il secondo è un idrocarburo che può essere impiegato direttamente come combustibile. Cambiano i prodotti, i catalizzatori e i percorsi di reazione, ma la sfida di fondo è comune: capire come guidare la trasformazione della CO₂ verso molecole utili, evitando di sprecare energia e risorse.
Il metano, inoltre, apre uno scenario che va oltre la Terra. L’atmosfera marziana è ricca di anidride carbonica e, in prospettiva, sistemi capaci di produrre combustibile utilizzando energia solare potrebbero contribuire all’alimentazione delle future missioni spaziali. È uno scenario ancora lontano dalla realizzazione pratica, ma mostra quanto la ricerca sui catalizzatori possa avere applicazioni diverse.
La chimica è più grande dei nostri modelli
Il metodo sviluppato dal gruppo dell’IISc potrebbe essere esteso anche ad altri processi industriali, come la riduzione dell’azoto e la scissione dell’acqua. In tutti questi casi, la combinazione di calcoli quantistici, apprendimento automatico e identificazione automatizzata delle reazioni potrebbe aiutare a individuare passaggi che i modelli tradizionali non riescono a considerare.
La lezione più interessante, però, non riguarda soltanto l’intelligenza artificiale. Riguarda il modo in cui costruiamo la nostra conoscenza scientifica.
Per rendere comprensibile un sistema complesso siamo costretti a semplificarlo; ma ogni semplificazione comporta il rischio di lasciare fuori proprio ciò che non sappiamo ancora riconoscere come importante.
In questo caso, ampliare la rete delle reazioni ha cambiato le previsioni e portato alla luce un comportamento inatteso dell’idrogeno. L’intelligenza artificiale non ha sostituito la chimica né ha trovato da sola una soluzione definitiva al problema della CO₂: ha, invece, aiutato i ricercatori a esplorare uno spazio di possibilità troppo vasto per essere esaminato con gli strumenti e i ragionamenti convenzionali.
Forse sta proprio qui il punto. A volte, per trovare la strada giusta, bisogna prima accorgersi di quante strade avevamo smesso di guardare.
«Due strade divergevano nel bosco e io… io ho preso quella meno battuta, e questo ha fatto tutta la differenza».
Robert Frost
Fonti:
https://www.iisc.ac.in/discovering-electrocatalysts-to-convert-carbon-dioxide-to-methane
