可以在不同层次上研究化学反应：在单个原子和分子的层次上，可以设计新的化合物。在纳米和微米级的微小颗粒水平上，人们可以了解催化剂材料如何影响化学反应。而要在工业上使用化学反应，就要看宏观尺度。
通常，每个区域使用不同的方法。但这对于催化剂表面上的复杂化学反应是不够的。在 TU Wien(维也纳)，现在已经迈出了重要的一步：第一次可以连接从微观到宏观的所有层次，以便在现实条件下描述具有技术重要性的化学反应。这可以理解为什么催化剂颗粒的尺寸起着决定性的作用。研究结果现已发表在科学期刊《自然通讯》上。
异构体：相同的成分，不同的分子
许多分子有不同的变体：同一组原子可以以不同的方式排列，然后被称为“异构体”。区分这些异构体很重要 - 例如，烃丁烯的某种异构体有利于燃料生产，但另一种丁烯变体更适合聚合物制造。精确生产所需的异构体或将一种异构体转化为另一种异构体是一项棘手的任务，可以使用非常特殊的催化剂来实现。
“这种工艺的一种特别重要的催化剂是钯，”维也纳工业大学材料化学研究所的 Günther Rupprechter 教授说。“通常，钯以微小纳米晶体的形式放置在表面上。然后某些分子会与这些颗粒结合，这使得化学反应成为可能。”
众所周知，粒径对于特定的催化功能通常是至关重要的，但大多数情况下还没有详细说明其工作原理。“在计算机上创建这些粒子的全尺寸量子化学模型是不可能的，因为它们只是由太多原子组成，”当前研究的第一作者 Alexander Genest 博士说。“因此，我们必须找到替代方法来结合不同的方法来研究化学催化。”
现实条件而不是理想化系统
TU Wien 的研究团队及其来自新加坡、阿利坎特和慕尼黑的合作伙伴为他们的研究选择了一个复杂但重要的反应：烯烃的异构化。“这尤其具有挑战性，因为有多种反应途径同时发挥作用，”Günther Rupprechter 说。“在现实条件下研究反应对我们来说很重要：在以前的基础研究中，反应经常在(超高)真空和低温下进行分析。但在工业环境中，你必须处理完全不同的参数。因此，我们想知道这种异构化是如何在大气压和 100°C 下发生的。”
该团队从原子和分子的水平开始：“借助密度泛函理论，我们可以模拟附着在钯晶体各个方面的分子的基本反应步骤，”Alexander Genest 说。这些计算产生了所谓的微动力学模型的参数，可用于在计算机上预测更大时间尺度上的化学反应动力学。反过来，从这些结果中，可以推断出在特定时间后以特定参数存在的所需化学产品的总量。
“模型计算与我们的实验测量非常吻合，不仅在定性上而且在定量上，”Günther Rupprechter 教授强调说。“这是一个重要的突破——以前不可能像这样达成这样的协议。”现在可以详细解释为什么不同尺寸的钯颗粒对化学过程有不同的影响：大颗粒表面光滑，而小颗粒更圆、更有阶梯。钯原子在不同几何形状中的排列会影响反应能量，从而影响催化行为。
最佳结果，而不仅仅是试错
“当您优化工业中的化学过程时，您通常必须依靠反复试验，”Günther Rupprechter 说。“应该选择哪些外部参数?你使用哪种催化剂 - 以什么形式?这些问题迄今为止在理论水平上难以回答。”通常会测试多个变体，然后选择最成功的一个。但是如果一个过程应该从实验室规模扩大到工业规模，则可能需要完全不同的参数。
“我们现在已经证明，如果你将几个时间和长度尺度联系起来，你就可以全面理解这些过程，”亚历山大·杰内斯特说。“这种方法当然也适用于许多其他催化反应。”因此，在化学工业中，通过计算机建模优化化学制造过程应该成为可能，同时将昂贵和耗时的基准测试减少到最低限度。
