Il fertilizzante sintetico a base di azoto costituisce la spina dorsale dell'approvvigionamento alimentare mondiale, ma la sua fabbricazione richiede un'enorme quantità di energia. Ora, la modellazione al computer presso la Princeton University indica un metodo che potrebbe ridurre drasticamente l'energia necessaria utilizzando la luce solare nel processo di produzione.

I produttori attualmente producono fertilizzanti, prodotti farmaceutici e altri prodotti chimici industriali estraendo l'azoto dall'aria e combinandolo con l'idrogeno. L'azoto è abbondante, costituiscono circa il 78% dell'aria. Ma l'azoto atmosferico è difficile da usare perché è bloccato in coppie di atomi, chiamato N ₂ , e il legame tra questi due atomi è il secondo più forte in natura. Quindi ci vuole molta energia per dividere il N ₂ molecola e permettono agli atomi di azoto e di idrogeno di combinarsi. La maggior parte dei produttori utilizza il processo Haber-Bosch, una tecnica secolare che espone il N ₂ e idrogeno a un catalizzatore di ferro in una camera riscaldata a più di 400 gradi Celsius. Il metodo utilizza così tanta energia che Scienza rivista ha riferito che la produzione di fertilizzanti e composti simili rappresenta ogni anno circa il 2% del consumo energetico mondiale.

Un gruppo di ricerca guidato da Emily Carter, Il preside di ingegneria di Princeton e il professore Gerhard R. Andlinger in energia e ambiente, Volevo sapere se sarebbe possibile utilizzare la luce per indebolire il legame nella molecola di azoto atmosferico. Se è così, consentirebbe ai produttori di tagliare radicalmente l'energia necessaria per dividere l'azoto da utilizzare nei fertilizzanti e in una vasta gamma di altri prodotti.

"Sfruttare l'energia della luce solare per attivare molecole inerti come l'azoto, e gas serra metano e anidride carbonica se è per questo, è una grande sfida per la produzione chimica sostenibile, "disse Carter, che è professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e di matematica applicata e computazionale. "Sostituendo le tradizionali alte temperature ad alta intensità energetica, produzione chimica ad alta pressione con luce solare, i processi a temperatura ambiente sono un altro modo per ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili".

I ricercatori erano interessati a sfruttare il comportamento unico della luce quando interagisce con nanostrutture metalliche più piccole di una singola lunghezza d'onda della luce. Tra gli altri effetti, il fenomeno, chiamata risonanza plasmonica di superficie, può concentrare la luce e migliorare i campi elettrici. Dott. John Mark Martirez, un ricercatore post-dottorato e membro del gruppo di ricerca di Princeton, ha affermato che i ricercatori credevano che sarebbe stato possibile utilizzare le risonanze plasmoniche per aumentare il potere di un catalizzatore di dividere le molecole di azoto.

"È un metodo diverso di fornire energia per rompere il legame, " ha detto. "Invece di usare il calore, stiamo usando la luce."

In un articolo del 5 gennaio sulla rivista Progressi scientifici , i ricercatori descrivono come hanno usato simulazioni al computer per modellare il comportamento della luce in minuscole strutture fatte di oro e molibdeno. L'oro è uno di una classe di metalli, tra cui rame e alluminio, che può essere modellato per produrre risonanze plasmoniche di superficie. I ricercatori hanno utilizzato una serie di strumenti di modellazione al computer per simulare nanostrutture fatte di oro, e ha aggiunto molibdeno alla sua superficie, che è un metallo che può scindere le molecole di azoto.

"Il metallo plasmonico agisce come un parafulmine, " Ha detto Martirez. "Concentra una grande quantità di energia luminosa in un'area molto piccola".

L'energia luminosa concentrata aumenta efficacemente la capacità del molibdeno di separare i due atomi di azoto.

"L'interazione della luce amplifica il campo elettrico vicino alla superficie del catalizzatore, che aiuta a rompere il legame, " ha detto Martirez.

I calcoli dei ricercatori indicano che la tecnica della risonanza plasmonica dovrebbe essere in grado di ridurre sostanzialmente l'energia necessaria per rompere le molecole di azoto atmosferico. Carter ha affermato che la modellazione indica che dovrebbe essere possibile dissociare la molecola di azoto a temperatura ambiente ea pressioni inferiori a quelle richieste dal processo Haber-Bosch.

Simulare il processo considerando anche l'effetto della luce è stato impegnativo. La maggior parte dei modelli di computer in grado di valutare con precisione le reazioni chimiche a livello molecolare, e tenere conto dei cambiamenti indotti dalla luce, può simulare solo pochi atomi alla volta. Mentre questo è scientificamente prezioso, di solito non è sufficiente per valutare i processi industriali.

Quindi i ricercatori si sono rivolti a una tecnica originariamente sviluppata da Carter che consente agli scienziati di utilizzare metodi altamente accurati per modellare un piccolo frammento della superficie e quindi estendere tali risultati per ottenere una comprensione di un sistema più ampio. La tecnica, chiamata teoria della funzione d'onda correlata incorporata, è stato più volte verificato e ampiamente utilizzato all'interno del gruppo Carter, ei ricercatori sono fiduciosi nella sua applicazione al problema della scissione dell'azoto.

Carter ha detto che il suo team sta collaborando con Naomi Hallas e Peter Nordlander della Rice University per testare la tecnica della risonanza plasmonica in laboratorio. I ricercatori hanno lavorato insieme su progetti simili in passato, inclusa la dimostrazione della dissociazione delle molecole di idrogeno su nanoparticelle di oro puro.

Come passo successivo, Carter ha detto che vorrebbe estendere la tecnica della risonanza plasmonica ad altri forti legami chimici. Un candidato è il legame carbonio-idrogeno nel metano. I produttori utilizzano il gas naturale per fornire l'idrogeno nei fertilizzanti e altri importanti prodotti chimici industriali. Quindi trovare un metodo a bassa energia per rompere quel legame potrebbe anche essere un vantaggio per la produzione.