Un team di scienziati, tra cui ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ha studiato un catalizzatore che decompone gli agenti nervini, eliminandone gli effetti dannosi e letali. La ricerca è stata pubblicata venerdì, 19 aprile nel Journal of Physical Chemistry Letters .

"Il nostro lavoro fa parte di un continuo, sforzo multiagenzia per proteggere soldati e civili dagli agenti di guerra chimica (CWA), " disse Anatoly Frenkel, un fisico con un incarico congiunto al Brookhaven Lab e alla Stony Brook University e l'autore principale dell'articolo. "La ricerca ci richiede di comprendere le interazioni molecolari su scala molto piccola, e sviluppare metodi di caratterizzazione speciali in grado di osservare tali interazioni. È un insieme di problemi molto complesso che ha anche un impatto molto immediato sulla società".

Trovare il miglior metodo di decontaminazione

Poiché i CWA furono usati per la prima volta nella prima guerra mondiale, gli scienziati hanno testato diversi metodi per mitigare i loro effetti tossici. Uno dei metodi più comuni è la filtrazione, utilizzando un materiale assorbente, come una spugna, che impedirebbe la diffusione delle sostanze chimiche.

"L'utilità del metodo di filtrazione è limitata, perché una volta che un filtro raggiunge la sua capacità, ha bisogno di essere rigenerato, RIMOSSO, o sostituito, " ha detto Frenkel. "Riteniamo che un approccio migliore sarebbe quello di scomporre il CWA con un catalizzatore, rendendo la sostanza chimica innocua, riutilizzando il catalizzatore in seguito."

Per approfondire questo approccio, il gruppo di ricerca si è concentrato sulla decontaminazione del Sarin, un agente nervino che impedisce ai muscoli di contrarsi e rilassarsi. Il Sarin inibisce un importante enzima nel corpo che svolge un ruolo fondamentale nella trasmissione dei segnali neuronali ai muscoli. Se questi segnali sono compromessi, i muscoli rimangono nella forma contratta, che diventa fatale come muscoli chiave, come il cuore, non sono in grado di muoversi.

"Il nostro obiettivo è sviluppare filtri dell'aria intelligenti che distruggano il Sarin prima ancora che le molecole raggiungano un individuo, ", ha detto lo scienziato della Virginia Tech John Morris, che ha riunito il gruppo di ricerca. "Nuovi catalizzatori che decompongono attivamente le tossine nell'aria verrebbero utilizzati per proteggere sia i soldati che i civili dagli effetti devastanti della guerra chimica".

Per rendere efficace il metodo di decomposizione, i ricercatori avevano bisogno di identificare un catalizzatore che potesse abbattere il sarin in modo efficiente, ma anche uno che ha longevità, un catalizzatore che non verrebbe inibito troppo rapidamente o creerebbe un prodotto di reazione che bloccherebbe i siti attivi e renderebbe il catalizzatore inefficace.

Negli studi precedenti, i chimici hanno identificato un gruppo di materiali chiamati poliossometallati (POM) come un buon candidato per la decomposizione degli agenti nervini. Ora, Frenkel e il suo team hanno testato un materiale unico, preparato dai membri del team della Emory University, che ha atomi di zirconio che collegano due molecole di POM insieme.

"Per identificare perché un catalizzatore funziona, devi trovare il suo sito attivo, " Frenkel ha detto. "Abbiamo ipotizzato che gli atomi di zirconio isolati fossero i siti attivi per questo catalizzatore. Per testare questa teoria, abbiamo analizzato il materiale non solo con un metodo, ma con molte tecniche di caratterizzazione, un approccio multimodale che ci ha permesso di isolare le molecole attive da quelle che non cambiano durante la reazione".

Inoltre, i loro esperimenti sono stati condotti nelle condizioni di vita reale in cui si sarebbe trovato il Sarin:la fase gassosa. La ricerca precedente sui catalizzatori POM per la decontaminazione CWA era stata condotta solo nella fase liquida.

Tutti gli esperimenti sono stati condotti utilizzando un simulante di gas sarin innocuo. "È importante riconoscere che i materiali pericolosi come i gas nervini non possono essere facilmente studiati nelle strutture di ricerca convenzionali, come Brookhaven Lab, " disse Frenkel. "Allora, nel campo della ricerca sulla decontaminazione CWA, gli scienziati non lavorano con veri agenti nervini ma con simulanti che imitano la loro attività senza causare danni".

Per confermare che il loro simulante si è comportato allo stesso modo del Sarin, gli esperimenti del team di ricerca sono stati ripetuti con il vero sarin dal CCDC Chemical Biological Center (CBC) dell'esercito americano ad Aberdeen Proving Ground.

"Accoppiare le nostre misurazioni con la capacità di eseguire test sugli agenti in condizioni ambientali identiche ci ha permesso di convalidare il lavoro del simulante e comprendere appieno come il POM assorbe e reagisce con gli agenti di guerra chimica, " disse Wesley Gordon, un coautore del documento.

Studiare il catalizzatore da un approccio multimodale

Per il primo studio a Brookhaven, i ricercatori hanno condotto la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), una tecnica di ricerca che utilizza raggi X ultra luminosi per misurare la composizione elementare di un campione.

"XPS è una tecnica sensibile all'energia cinetica di un fotoelettrone che viene espulso da un materiale quando viene colpito dai raggi X ultraluminosi, " ha detto Frenkel. "Utilizzando questa tecnica, abbiamo osservato un cambiamento nello stato di carica dell'atomo di zirconio nella molecola, il che ci dice che è lo zirconio nel catalizzatore che reagisce con l'agente nervino."

Da li, il team ha confrontato i dati di diverse tecniche aggiuntive, che sono stati completati presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di Brookhaven e la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) dello SLAC National Accelerator Laboratory, due strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

"Alla NSLS-II, abbiamo usato una tecnica chiamata diffrazione a raggi X in situ per rivelare l'ordinamento o il disordine a lungo raggio nelle strutture atomiche, " disse Sanjit Ghose, scienziato della linea di luce presso la linea di luce X-ray Powder Diffraction (XPD) di NSLS-II, dove è stata condotta la ricerca. "Il confronto dei modelli di diffrazione ha mostrato chiaramente il disordine del reticolo cristallino zirconio-POM con l'adsorbimento delle molecole simulanti".

Alla SSRL, una tecnica chiamata spettroscopia a struttura fine di assorbimento di raggi X è stata utilizzata per identificare i cambiamenti nell'ambiente atomico locale intorno allo zirconio in diverse fasi della reazione chimica.

La teoria completa il puzzle

Dopo aver correlato i risultati della loro suite di tecniche sperimentali, gli scienziati hanno scoperto qualcosa di sorprendente.

"Generalmente, un catalizzatore è una struttura rigida che rimane stabile, " Frenkel ha detto. "Inizialmente, questo catalizzatore era un dimero, due grandi molecole collegate da due legami a ponte. Sembrava una bicicletta con due ruote e un telaio che le collegava. Quello che abbiamo capito dopo aver esaminato il catalizzatore con tutte queste tecniche è che la bicicletta si è rotta in due "ruote" e il "telaio" è stato tagliato".

Utilizzando modelli computerizzati del catalizzatore, i chimici computazionali del team della Virginia Tech e della Emory University hanno determinato che i cambiamenti strutturali hanno esposto gli atomi di zirconio al sarin, e le interazioni Sarin-zirconio sono risultate responsabili della decomposizione dell'agente nervino.

"Il processo di rottura del dimero era equivalente all'attivazione del catalizzatore, " ha detto Frenkel.

Nella fase successiva della ricerca, il team si baserà sui risultati per progettare e ottimizzare catalizzatori con siti di zirconio isolati, basato su altri materiali porosi che hanno una maggiore attività per la decomposizione dei CWA.