Alla fine del 1700, una chimica scozzese di nome Elizabeth Fulhame scoprì che certe reazioni chimiche avvenivano solo in presenza di acqua e che, alla fine di quelle reazioni, la quantità di acqua non è stata esaurita. Fulhame è stato il primo scienziato a dimostrare il potere di un catalizzatore, un materiale che può accelerare una reazione chimica senza esserne consumato.

Duecento anni dopo, catalizzatori uno dei motori della vita moderna. L'industria chimica fa affidamento sui catalizzatori per il 90% dei suoi processi, dalla raffinazione del petrolio, trasformare il petrolio in plastica, e produrre fertilizzanti cibo e medicine, per pulire l'aria dagli inquinanti nocivi emessi da automobili e fabbriche.

Progettare sistemi catalitici per una gamma così ampia di applicazioni è una grande sfida. I catalizzatori devono essere integrati in sistemi che coprono un'ampia gamma di dimensioni, forme, e composizioni materiche, e controllare una varietà di reazioni chimiche in condizioni molto diverse. Inoltre, i catalizzatori più specializzati si basano su metalli rari e costosi come il platino, palladio, e rodio supportato su matrici di metallo o ossido di metallo ad alta superficie.

Ora, un team di ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e dell'Harvard Wyss Institute for Biologically-Inspired Engineering ha sviluppato e testato un nuovo approccio per ottimizzare la progettazione di sistemi catalitici sintonizzabili.

La ricerca, guidato da Joanna Aizenberg, l'Amy Smith Berylson Professore di Scienza dei Materiali e Professore di Chimica e Biologia Chimica, è descritto in una serie di articoli pubblicati in Materiale avanzato , Materiali funzionali avanzati , e Chemistry-Una rivista europea . Aizenberg è anche membro principale della facoltà del Wyss Institute.

Una delle maggiori sfide nello sviluppo di catalizzatori efficaci è la progettazione di solidi porosi nanostrutturati su e in cui avvengono le reazioni. Per molto tempo, La ricerca di Aizenberg si è concentrata sullo studio di complessi materiali naturali micro e nanostrutturati, come quelli negli opali iridescenti o nelle ali di farfalla, e svelando i modi in cui la biologia controlla la chimica e la morfologia dei suoi elementi costitutivi su scala nanometrica. Ispirato da processi naturali, il team di ricercatori di SEAS e Wyss ha sviluppato una metodologia per creare perfetti, altamente ordinato, micromateriali di tipo opale per un'ampia gamma di reazioni catalitiche e fotocatalitiche.

Per creare queste strutture, i ricercatori hanno introdotto un metodo di co-assemblaggio in cui minuscoli, particelle sferiche e precursori della matrice vengono depositati simultaneamente da un'unica miscela per produrre film privi di difetti su scale centimetriche. I ricercatori hanno dimostrato questo processo con materiali catalitici ampiamente utilizzati, compreso il titanio, allumina e zirconia, che incorpora varie nanoparticelle mono e multimetalliche.

"Espandere questa metodologia a materiali cristallini non biologici si tradurrà in architetture su microscala con fotoniche potenziate, elettronico, e proprietà catalitiche, "ha detto Tanya Shirman, un borsista post-dottorato presso SEAS e Technology Development Fellow presso il Wyss Institute e coautore della ricerca.

Nella progettazione delle stesse particelle catalitiche, i ricercatori si sono rivolti anche alla natura, utilizzando biocatalizzatori, come enzimi, per l'ispirazione. Nei sistemi biologici, i materiali catalitici su scala nanometrica si attaccano a entità più grandi come proteine ​​e cellule, che si auto-organizzano per formare reti più grandi di siti catalitici progettati con precisione.

"La natura ha avuto miliardi di anni di ricerca e sviluppo per perfezionare la progettazione di sistemi catalitici, " ha detto Tanya Shirman. "Di conseguenza, sono incredibilmente efficienti e consentono il coordinamento e la messa a punto di reazioni sofisticate attraverso il posizionamento ottimale dei complessi catalitici".

I ricercatori hanno imitato l'architettura gerarchica dei catalizzatori naturali sviluppando una piattaforma altamente modulare che costruisce catalizzatori complessi da colloidi organici e nanoparticelle catalitiche inorganiche. La squadra può controllare tutto dalla composizione, dimensione, e posizionamento delle nanoparticelle catalitiche alla dimensione del colloide, forma, e connettività, e la forma e i modelli complessivi della rete. I sistemi catalitici risultanti utilizzano quantità significativamente inferiori di metalli preziosi rispetto ai catalizzatori esistenti.

"Il metallo prezioso è una risorsa molto limitata, " disse Elia Shirman, un borsista post-dottorato presso SEAS e Wyss Institute e coautore della ricerca. "Ottimizzando il design e riducendo al minimo la quantità di metalli preziosi utilizzati nei sistemi catalitici, possiamo creare catalizzatori più sostenibili in generale e utilizzare materiali catalitici in modi che attualmente non sono accessibili".

Il metodo è relativamente semplice:in primo luogo, le nanoparticelle catalitiche si attaccano ai colloidi attraverso vari tipi di legame chimico e fisico. Rivestito con nanoparticelle, i colloidi vengono quindi posti in una soluzione precursore della matrice e lasciati autoassemblare nel modello desiderato, che può essere controllato confinando l'assieme entro una certa forma. Infine, i colloidi vengono rimossi in modo da formare una rete strutturata decorata con nanoparticelle parzialmente annegate all'interno della matrice. Questa architettura porosa gerarchica con siti catalitici saldamente attaccati massimizza l'area superficiale per la reazione catalitica e migliora la robustezza del catalizzatore.

"La nostra piattaforma sintetica consente di prendere i componenti dell'assieme e formare un insieme completamente interconnesso, microarchitettura porosa altamente ordinata, in cui le nanoparticelle catalitiche sono incorporate in modo univoco, " ha detto Tanya Shirman. "Questo fornisce una meccanica eccezionale, termico, e stabilità chimica, nonché elevata area superficiale e piena accessibilità ai reagenti diffondenti."

"La tecnologia sviluppata nel mio laboratorio è particolarmente promettente per colmare il divario tra ricerca e sviluppo all'avanguardia e applicazioni del mondo reale, ", ha affermato Joanna Aizenberg. "Grazie al suo design modulare e alla sua sintonizzabilità, questo quadro può essere utilizzato in vari campi dalla sintesi di importanti prodotti chimici, alla riduzione dell'inquinamento. I nostri risultati mostrano chiaramente che ora siamo in grado di creare catalizzatori migliori, utilizzare metalli meno preziosi e migliorare i noti processi catalitici."

Questa tecnologia è ora in fase di convalida e sviluppo per la commercializzazione da parte del Wyss Institute.

Il team di Aizenberg si sta attualmente concentrando sullo sviluppo di catalizzatori di nuova generazione per una serie di applicazioni, dalle tecnologie per l'aria pulita e convertitori catalitici agli elettrodi avanzati per celle a combustibile catalitiche, sperando di testare presto i loro progetti in sistemi del mondo reale.

Il team ha recentemente ricevuto il secondo posto nella President's Innovation Challenge di Harvard, che identifica e promuove imprese tecnologiche promettenti che hanno il potenziale per un impatto sociale e ambientale significativo.