In chimica, ogni reazione implica un iniziale dispendio di energia, impiegata per la rottura dei legami chimici tra gli atomi che formano i reagenti. Tale costo, detto energia di attivazione, determina, da un lato, la quantità di energia che deve affluire in un reattore affinché la trasformazione abbia inizio, e dall’altro, la velocità con cui si formeranno i prodotti. I catalizzatori sono sostanze che non partecipano direttamente alla reazione, ma aiutano a rompere i legami chimici nei reagenti, abbassando l’energia di attivazione. Una metafora, spesso usata per spiegare il ruolo di un catalizzatore, è quella di un sentiero che ci porti da un versante a un altro di una montagna, individuando il punto di valico più basso, anziché costringerci a salire fino in cima. La sostenibilità di un processo chimico, sia dal punto di vista energetico sia economico, dipende direttamente dalla possibilità di abbattere l’energia di attivazione. La ricerca di nuovi catalizzatori è molto intensa, in un contesto segnato da grandi sfide per la chimica: rimpiazzare i combustibili fossili quali fonti di energia e di elementi cruciali come carbonio e idrogeno, recuperare efficacemente materie prime da rifiuti e reflui, o catturare e trasformare molecole climalteranti quali il metano e l’anidride carbonica.

Il tipo di catalizzatore eterogeneo più comune è costituito da una particella metallica di alcuni nanometri di diametro, ancorata alla superficie di un ossido o di un materiale carbonioso. Si è però scoperto che particelle più piccole sono spesso cataliticamente più attive. Inoltre, gli atomi realmente efficaci nell’indebolire i legami chimici delle molecole reagenti sono solo quelli situati nelle zone di bordo della particella, specie se a contatto col supporto. Queste considerazioni, unite al costo e alla criticità di reperimento di molti metalli, hanno portato all’idea di spingersi al limite ultimo della riduzione dimensionale della particella cataliticamente attiva: ancorare un singolo atomo metallico a un supporto solido. 

Nel nostro laboratorio, utilizziamo tecniche avanzate di simulazione al calcolatore per predire e spiegare le proprietà di questi dispositivi catalitici ad atomo singolo, spesso in stretta sinergia con gruppi che realizzano la sintesi e le prove di laboratorio. La simulazione è di grande utilità per elucidare il nesso tra struttura e proprietà chimica di un catalizzatore, permettendo una progettazione razionale ed efficace di nuovi dispositivi. 

Abbiamo studiato singoli atomi come co-catalizzatori applicati a reazioni-modello quali la produzione di idrogeno dalla scissione dell’acqua per via elettrochimica, ma anche caratterizzato il loro ruolo in processi chimici più complessi, come la produzione di molecole organiche utili in chimica farmaceutica tramite reazioni a flusso continuo. Gli atomi singoli sono anche ottimi fotocatalizzatori, cioè sono in grado di assorbire energia dalla luce, impiegandola come propulsore di processi chimici.

Volendo trarre delle conclusioni generali, un aspetto chiave è certamente il legame chimico tra atomo singolo e supporto, che determina largamente le proprietà chimiche del catalizzatore e la sua stabilità. La natura chimica del supporto e la sua morfologia superficiale sono parametri chiave nella progettazione di questo tipo di dispositivi ad atomo singolo, e la simulazione in silico è un potente strumento di analisi e di previsione.