西蒙斯基金会的 Flatiron 研究所发起了一项新计划，重点关注催化科学的发展。计算催化计划(ICC) 于 7 月 1 日开始运营，将利用计算技术研究和设计加速化学反应的催化剂物质。这些物质有望在清洁能源生产和减少工业过程中的温室气体排放方面发挥重要作用。
“这些都是大问题，从过程的第一步到最后都很难解决，”将与联合主任蒂莫西·伯克尔巴赫一起领导该计划的安吉尔·鲁比奥 (Angel Rubio)表示。“但在 ICC，我们将拥有一整套专业知识互补的研究人员，他们可以处理多尺度催化问题的所有主题。”
ICC 的最终目标是开发更高效、更实惠的催化剂。催化剂的存在可以加速化学反应，而不会消耗催化剂本身。例如，汽油汽车排气系统中的催化转化器将有害的燃烧副产物转化为相对危害较小的物质，如水蒸气和二氧化碳。约 90% 的化学品制造依赖于催化剂，包括生产化肥、药品和维生素补充剂等重要化学品。
然而，设计新催化剂非常棘手，因为其中涉及的化学反应可能非常复杂。倡议科学家将使用机器学习、分子动力学和电子结构研究工具研究一系列催化剂。ICC 科学家还将与 Flatiron 研究所的研究人员和外部实验伙伴小组合作，推动该领域的新进展。
西蒙斯基金会主席戴维·斯佩格尔 (David Spergel) 表示：“催化剂对于我们的食品供应和日常生活至关重要。如果 ICC 能够显著提高我们生产新型催化材料的能力，那么它将对我们的环境和食品供应产生深远的长期影响。ICC 是一个高风险、高回报的项目。”
ICC 是 Flatiron 研究所新倡议计划的首个项目，旨在通过提供资源和专用空间，在 10 年内支持专注于重要课题的研究团队。ICC 最初由 8 人组成，但最终将发展到约 25 人的团队，其中包括高级科学家、博士后研究员、客座研究员、软件工程师和其他人员。
“让所有这些人聚集在同一屋檐下，共同致力于研究大致相同的特定催化反应，这种做法极其罕见，”鲁比奥说。
鲁比奥表示，相对较大的人数将使该小组能够全面了解催化问题。科学家将研究单个电子在飞秒(百万分之一秒)内的行为，以及大量原子在数十亿倍的时间内的行为。
解决如此大规模的问题是一项长期挑战，但值得庆幸的是，随着计算模型和计算能力的进步，该领域终于达到了一个临界点，Rubio 说。该领域的基本计算模型和工具刚刚准备好应用于高度复杂的问题——催化领域的大部分问题都是如此。此外，催化研究对于开发应对气候变化的新解决方案比以往任何时候都更为重要。
伯克尔巴赫说：“许多将使我们进入可再生能源经济的过程将通过催化作用来促进。”
例如，氢气是一种很有前途的清洁燃料，也是合成每年近 2 亿吨氨(用作肥料)的关键成分。然而，这些氢气大部分是用天然气生产的，在生产过程中会产生大量的二氧化碳。不过，还有另一种方法。一种称为水分解的工艺可以从水中生产氢气，而不会产生碳副产品，但这种方法成本太高，无法在商业环境中广泛使用。
“众所周知，催化剂可以促进水分解过程，”伯克尔巴赫说。“但还需要进行大量基础研究，以了解如何设计出更高效、制造成本更低、使用寿命更长的催化剂——所有这些都能让它在经济上切实可行。”
ICC 将与 Flatiron 研究所的五个中心进行整合，包括计算量子物理中心(CCQ)、计算生物学中心(CCB) 和计算数学中心(CCM)，这些中心也将受益于此次合作。
“除了能够利用 Flatiron 研究所的人员和资源之外，我们计划的新颖之处在于，我们还可以通过与其他顶级机构合作开展实验活动，”Rubio 说道。
ICC 还希望开发整个催化界都可以使用的关键工具。“我们希望开发出能够让整个界在研究催化方面发挥更大影响力的软件，”Berkelbach 说道。“我们希望创造出尚不存在的工具，这些工具可以改变我们预测的准确性和速度。”
ICC 将利用 Rubio 和 Berkelbach 在其职业生涯(包括在 CCQ 任职期间)中积累的经验和专业知识。除了担任 CCQ 的杰出研究科学家外，Rubio 还是马克斯普朗克物质结构与动力学研究所的常务董事和理论系主任、巴斯克大学杰出物理学教授和汉堡大学物理学教授。他是欧洲理论光谱设施的创始人之一，也是广泛使用的从头算开源项目 Octopus 的发起人。他是美国国家科学院、德国利奥波尔迪纳科学院和中国科学院院士。
伯克尔巴赫于 2019 年至 2022 年期间担任 CCQ 的研究科学家。他还是哥伦比亚大学化学系副教授，曾获得美国化学学会国家费森尤斯奖、美国国家科学基金会 CAREER 奖、早期职业奖和总统早期科学家和工程师职业奖。