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Pionieri del pensiero - ieri e oggi: Catalisi 

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Pionieri del pensiero – ieri

Il chimico autodidatta Johann Wolfgang Döbereiner scoprì l’utilizzo del platino come catalizzatore e contribuì a porre le basi per la compilazione della tavola periodica degli elementi.

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Pionieri del pensiero – oggi

Ferdi Schüth ama affrontare nuove sfide. La sua ricerca attuale si concentra sulle fondamenta chimiche per l’energia del futuro.

Nel 1823, il chimico quarantatreenne Johann Wolfgang Döbereiner riuscì a fare accendere una miscela di ossigeno e idrogeno gassosi sfruttando l’effetto catalizzatore di una spugna di platino. Per lui si trattava di un “fenomeno per contatto,” oggi è considerata una delle più importanti scoperte nelle prime fasi della chimica della catalizzazione. La spugna di platino può accelerare la reazione tra l’idrogeno e l’ossigeno e così facendo resta praticamente inalterata per quanto riguarda massa e composizione chimica –  questa è una delle proprietà particolari di tutti i catalizzatori. La reazione libera una quantità tale di energia che si forma una fiamma all’istante. Döbereiner, affascinato da questo fenomeno, seppe trasformare la sua scoperta in una tecnologia di successo: inventò l’accendino al platino. Questa lampada di accensione divenne un articolo molto richiesto e il processo catalitico che ne costituiva la base fu perciò una svolta e uno stimolo per la chimica.

Solo un anno dopo, osservando che il fenomeno ossidrico può creare anche un’esplosione, utilizzando miscele di iridio e osmio, Döbereiner formulò il principio alla base dei catalizzatori misti, successivamente impiegati dall’industria chimica. All’epoca ricopriva già da 14 anni il ruolo di professore associato di chimica, farmacia e tecnologia, una posizione che doveva in parte al sostegno di Johann Wolfgang von Goethe, uno dei più importanti scrittori tedeschi ed esperto universale.

Döbereiner era un autodidatta, non aveva mai terminato gli studi né frequentato l’università: l’unica istruzione che aveva ricevuto era stata un apprendistato come farmacista. Ma questo figlio di un cocchiere catturò l’attenzione di Goethe con i suoi scritti sui fenomeni chimici nell’osservazione pratica. Goethe, che successivamente divenne ministro della cultura, aiutò Döbereiner a ottenere un posto presso l’Università di Jena. Un anno dopo la sua nomina, la facoltà di arte conferì a Döbereiner  il titolo di Dottore in filosofia come riconoscimento per le sue opere pubblicate in precedenza, che furono definite come “recanti in modo innegabile i segni del genio e della perfezione.”

Grato per le opportunità che gli erano state offerte, Döbereiner restò a Jena fino alla sua morte, nel 1849, malgrado il fatto che avesse ricevuto proposte da altre università rinomate. L’eredità che ha lasciato ai posteri è incisa sulla pietra, poiché l’iscrizione sulla tomba di Döbereiner dice: “Consigliere di Goethe, creatore del sistema triadico, scopritore della catalisi del platino.”

Era da poco passato il Capodanno del 1971, che l’undicenne Ferdi Schüth aveva già deciso che da grande avrebbe voluto diventare un chimico. Il suo entusiasmo era stato acceso dal fatto di riempire petardi usati con la polvere da sparo miscelata dai suoi amici. I petardi non riuscirono a volare, ma di sicuro fecero un gran botto. Un anno dopo allestì il suo nuovo angolo del piccolo chimico nel seminterrato di casa e continuò le sue osservazioni su cosa succede quando si mischiano delle sostanze. “Volevo solo vedere se qualcosa funziona, che è ancora la mia motivazione principale perché la mia ricerca abbia successo,” spiega il Professor Schüth, che è oggi uno scienziato che ha ottenuto diversi riconoscimenti a suo nome e ruoli di prestigio, tra cui Vice Presidente della Società Max Planck, Direttore del Max Planck Institut für Kohlenforschung e vincitore del premio Carl Friedrich von Weizsäcker e del premio Leibniz, solo per citarne alcuni.

Questa curiosità, insieme al fatto che ha una mente molto indipendente, è il motivo per cui Schüth è stato in grado di fare la sua scoperta che finora ha avuto il maggiore impatto: la tecnologia a volumi di produzione elevati nella catalizzazione (vedi riquadro). Nel 1996 partecipò a un incontro scientifico su come mettere a punto nuovi catalizzatori più avanzati e in un tempo minore. Il modello preso in considerazione era la sperimentazione a volumi elevati adottata dall’industria farmaceutica per accelerare la ricerca su nuovi principi attivi. Tra i ricercatori, tuttavia, furono espressi presto dei dubbi sul fatto che questo metodo potesse essere applicato nelle condizioni ben più difficili che si trovano nelle raffinerie di petrolio e nella produzione di prodotti chimici di base. Ma l’idea affascinava Schüth, all’epoca professore presso l’Università Goethe di Francoforte, in Germania, e cominciò ad abbozzare le sue prime idee durante questo evento. Tornato presso il suo istituto, chiese ai suoi dottorandi se qualcuno di loro fosse interessato a sviluppare ulteriormente questa idea. Dopo un anno circa di ricerca in comune, fu avviato il primo reattore di volumi di produzione. Nel 1999 fu fondata la società hte perché si occupasse della commercializzazione del processo. “Una sfida scientifica ha così portato alla nascita di una nuova tecnologia,” afferma Schüth.

Una delle questioni su cui sta lavorando attualmente il chimico è come si possano realizzare dei catalizzatori su misura fino ad arrivare al livello atomico. Si sta anche interessando di nuove fonti di energia, come l’idrogeno e i combustibili ottenuti dagli scarti del legno e del loro stoccaggio e conversione catalitica: in altre parole i fondamenti chimici dell’energia del futuro. E Schüth è sempre pronto per una sfida o per un nuovo modo di pensare all’avanguardia.

Catalisi: coadiuvante molecolare e forza motrice della chimica

Un catalizzatore è sostanzialmente uno che combina matrimoni. Infatti, uno dei due elementi che compongono l’ideogramma cinese per la parola 'catalizzatore’ è lo stesso che si utilizza per la parola ‘mezzano.’ In una provetta, il catalizzatore afferra gli elementi che sono destinati a combinarsi in una reazione, scioglie i loro legami precedenti e unisce rapidamente i compagni giusti per la formazione di un nuovo composto chimico. Accelera le reazioni senza consumarsi, anche se può cominciare a mostrare dei segni di invecchiamento a un certo punto.

Allo stesso tempo, un catalizzatore consente anche di risparmiare energia. Per tutti questi motivi, i catalizzatori costituiscono uno strumento importante nel campo della chimica, dove oggi vengono utilizzato in oltre il 90% di tutti i processi di produzione. La produzione di molti oggetti di uso quotidiano, tra cui farmaci, fertilizzanti, tinture e materie plastiche, non sarebbe possibile senza questa tecnologia fondamentale.

hte GmbH: Test turbo per acceleratori chimici

Con il processo messo a punto congiuntamente dal Professor Ferdi Schüth e dai ricercatori della società hte di Heidelberg, in Germania, la ricerca di nuovi e più efficaci catalizzatori può oggi essere condotta in modo fino a 100 volte più veloce rispetto a quanto non fosse possibile appena pochi anni fa. Il nome della società, hte, è l’acronimo di questo processo: “high throughput experimentation.” Questo metodo, che si basa su un approccio in parallelo e automatizzato, consente ai ricercatori di Heidelberg di condurre test chimici simultanei su numerosi catalizzatori.

Attualmente hte gestisce più di 50 diversi sistemi di reattori, che vanno dalle apparecchiature di screening dei catalizzatori fino a impianti di prova su larga scala per l’ottimizzazione dei processi. La società, che è interamente controllata da BASF SE dal 2012, conta oggi circa 270 dipendenti.

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