Chemische reacties vinden voortdurend om ons heen plaats - in de lucht die we inademen, het water dat we drinken, en in de fabrieken die producten maken die we in het dagelijks leven gebruiken. En die reacties zijn onverwacht snel. Onder optimale omstandigheden, moleculen kunnen in een quadriljoenste van een seconde met elkaar reageren.

De industrie streeft voortdurend naar snellere en betere chemische processen. waterstof produceren, waarvoor watermoleculen moeten worden gesplitst, is een voorbeeld. Om de processen te verbeteren, onderzoekers moeten weten hoe verschillende moleculen met elkaar reageren en wat de reacties veroorzaakt. Computersimulaties kunnen het mogelijk maken om te bestuderen wat er gebeurt gedurende een quadriljoenste van een seconde, dus als de volgorde van een chemische reactie bekend is, of als de triggers die de reactie initiëren vaak voorkomen, de stappen van de reactie kunnen worden bestudeerd.

Maar in de praktijk is dit vaak niet het geval. Moleculaire reacties gedragen zich vaak anders. Optimale omstandigheden zijn vaak niet aanwezig, zoals met watermoleculen die worden gebruikt bij de productie van waterstof, en dit maakt reacties uitdagend om te onderzoeken, zelfs met computersimulaties.

Tot voor kort, wetenschappers hebben niet geweten wat de splitsing van watermoleculen initieert. Echter, het is bekend dat een watermolecuul een levensduur heeft van 10 uur voordat het splitst. Tien uur klinkt misschien niet als een lange tijd, maar vergeleken met de moleculaire tijdschaal - een quadriljoenste van een seconde - is het behoorlijk lang. Dit maakt het uiterst uitdagend om het mechanisme te bepalen dat ervoor zorgt dat watermoleculen zich delen. Het is zoeken naar een speld in een hooiberg.

NTNU-onderzoekers hebben onlangs een manier gevonden om die naald in de hooiberg te identificeren. In hun studie hebben ze combineerden twee technieken die nog niet eerder samen waren gebruikt.

Ze studeerden bijna 100, 000 simulatiebeelden van dit type voordat ze konden identificeren wat de watermoleculen ertoe aanzet te splitsen. Er is veel rekenkracht in die simulaties gestopt. Door hun speciale methode te gebruiken, de onderzoekers wisten precies te simuleren hoe watermoleculen zich splitsen. "We begonnen te kijken naar deze 10, 000 simulatiefilms en handmatig analyseren, proberen de reden te vinden dat watermoleculen splitsen, ", zegt onderzoeker Anders Lervik van de afdeling Scheikunde van NTNU. Hij voerde zijn werk uit met professor Titus van Erp.

"Na veel tijd te hebben besteed aan het bestuderen van deze simulatiefilms, we hebben een aantal interessante relaties gevonden, maar we realiseerden ons ook dat de hoeveelheid data te groot was om alles handmatig te onderzoeken." De onderzoekers gebruikten een machine learning-methode om de oorzaken te achterhalen die de reactie veroorzaken. Deze methode is nooit gebruikt voor dit soort simulaties. Door deze analyse, ze ontdekten een klein aantal variabelen die beschrijven wat de reacties initieert.

Wat ze vonden, geeft gedetailleerde kennis van het oorzakelijke mechanisme, en ideeën om het proces te verbeteren. Het vinden van manieren om industriële chemische reacties sneller en efficiënter te laten verlopen, heeft met dit onderzoek een belangrijke stap voorwaarts gezet. Het biedt een groot potentieel voor het verbeteren van de waterstofproductie.