Poiché la vita di milioni di persone in tutto il mondo è stata sconvolta dalle misure di allontanamento sociale per combattere la pandemia di COVID-19 all'inizio del 2020, è emersa una buona notizia inaspettata:i livelli di inquinamento atmosferico nelle principali città sono diminuiti fino al 50% a causa della riduzione globale dei viaggi, produzione, e costruzione. Gli effetti più drammatici sono stati osservati in India, sede di 14 delle 20 città più inquinate della Terra, dove le persone hanno pubblicato foto sui social media che mostrano cieli blu e aria limpida per la prima volta nella memoria recente.

La sospensione temporanea è stato un duro promemoria che il motore della società moderna funziona con la combustione di combustibili fossili, che rilascia nell'aria una miscela nociva di sostanze chimiche, compreso il gas velenoso di monossido di carbonio, COV (composti organici volatili) come la formaldeide che può causare il cancro, e ossidi di azoto che reagiscono con i COV per creare ozono, che causa problemi respiratori e persino morte prematura. L'Organizzazione Mondiale della Sanità stima che ogni anno muoiano sette milioni di persone a causa dell'inquinamento atmosferico, e Greenpeace nel sud-est asiatico ha riferito che l'aria inquinata costa ogni anno al mondo trilioni di dollari in cure mediche.

Il problema dell'aria sporca non è nuovo:anche la combustione del legno rilascia sostanze chimiche tossiche che possono causare problemi di salute se inalate. Ma l'esplosione della produzione durante la rivoluzione industriale ha portato a livelli senza precedenti di inquinamento atmosferico che sono continuati in gran parte incontrollati fino all'inizio del XX secolo, aggravato dalla diffusa adozione di auto a benzina. Non c'erano modi efficaci per rimuovere gli inquinanti dai gas di scarico fino agli anni '50, quando l'ingegnere meccanico Eugene Houdry inventò il primo convertitore catalitico per affrontare lo smog nero che stava soffocando Los Angeles e altre città americane.

I convertitori catalitici utilizzano un catalizzatore, di solito un metallo costoso come il platino o il palladio, per accelerare le reazioni chimiche tra ossigeno e inquinanti nell'aria per convertirli in sottoprodotti meno tossici come il vapore acqueo, diossido di carbonio, e azoto gassoso. Convogliare i fumi di scarico attraverso un alloggiamento metallico rivestito con il catalizzatore può rimuovere fino al 98% degli inquinanti da essi, e le normative che richiedono l'installazione di convertitori catalitici su auto e ciminiere hanno contribuito a migliorare notevolmente la qualità dell'aria nelle città di tutto il mondo dagli anni '70.

Nonostante il successo dei convertitori catalitici nel ridurre l'inquinamento rilasciato da ogni automobile o fabbrica, il drammatico aumento del numero di veicoli e di edifici industriali sul pianeta negli ultimi 50 anni ha causato un calo complessivo della qualità dell'aria. La ricerca sulla chimica atmosferica ha rivelato che la composizione dei gas di scarico è più complessa di quanto si pensasse inizialmente, e più stadi sono stati aggiunti ai convertitori catalitici per rimuovere diversi inquinanti, aumentando il loro costo. A renderli più costosi è anche la scarsità dei metalli preziosi utilizzati per catalizzare le reazioni:oggi, il platino costa circa $ 785 l'oncia. Non solo questa spesa limita l'installazione di convertitori catalitici ai grandi produttori con tasche profonde, guida una fiorente attività criminale in cui i ladri rubano i convertitori catalitici dalle auto e li vendono sul mercato nero per i metalli che contengono. La sostituzione di un convertitore catalitico può facilmente costare oltre $ 1, 000, che molte persone nei paesi a basso reddito semplicemente non possono permettersi, così continuano a guidare veicoli che eruttano inquinamento non filtrato.

Piccole strutture, grande impatto

Qualsiasi soluzione a questo problema multiforme deve trovare un equilibrio difficile tra la riduzione del costo dei convertitori catalitici senza comprometterne le prestazioni, e deve essere sufficientemente flessibile per rimuovere più sostanze diverse dallo scarico. Mentre lavorava nel laboratorio di Joanna Aizenberg, membro della Wyss Core Faculty, l'ex ricercatrice del Wyss Institute Tanya Shirman, dottorato di ricerca ed Elia Shirman, dottorato di ricerca ha scoperto che la natura ha creato proprio una soluzione del genere milioni di anni fa che da allora è rimasta nascosta in bella vista:ali di farfalla.

Se esaminata al microscopio, la superficie dell'ala di una farfalla si rivela essere porosa, architettura rigida che conferisce all'ala le sue proprietà fisiche uniche, compreso il colore, resistenza all'acqua, stabilità, e controllo della temperatura. Gli Shirman si sono resi conto che potevano imitare questa architettura su scala nanometrica per creare un'impalcatura personalizzabile per i catalizzatori che avrebbe permesso loro di controllare tutto dalla composizione, dimensione, e posizionamento delle nanoparticelle catalitiche alla forma e al modello dell'impalcatura.

"I convertitori catalitici oggi hanno tre problemi principali:sono costosi a causa dei metalli preziosi, sono inefficienti perché gran parte del catalizzatore non entra mai in contatto con l'aria che dovrebbe pulire, e i catalizzatori funzionano solo entro un determinato intervallo di temperatura, quindi prima che un'auto o una fabbrica si scaldi, " Stanno solo vomitando inquinamento che non viene pulito, "ha detto Tanya Shirman, che ora VP di Material Design presso Metalmark. "Proprio adesso, avresti bisogno di sviluppare materiali separati per affrontare i problemi di costo, prestazione, e stabilità della temperatura, ma la nostra tecnologia può risolvere tutti e tre i problemi contemporaneamente".

Il team ha creato un prototipo in cui le nanoparticelle del catalizzatore vengono posizionate in punti precisi sull'impalcatura colloidale organica a nido d'ape per garantire che tutto il catalizzatore venga esposto allo scarico, riducendo al minimo gli sprechi e producendo una pulizia più efficiente. Può anche funzionare efficacemente a temperature inferiori rispetto a un tipico convertitore catalitico, riducendo sia l'inquinamento rilasciato dai motori "freddi" che il consumo di energia. È importante sottolineare che il sistema è progettato per integrarsi perfettamente nel processo di produzione del convertitore catalitico esistente. Poiché il 70-90% del costo di produzione deriva dall'acquisto del metallo catalizzatore, un semplice passaggio al design degli Shirman potrebbe consentire la produzione di convertitori catalitici molto più economici, rendendo la purificazione dell'aria più conveniente e, si spera, causando meno furti.

Dal banco di laboratorio alla centrale elettrica

Gli Shirman hanno iniziato a testare la loro idea in laboratorio nel 2016, e sono stati in grado di dimostrare che il loro sistema produceva un catalizzatore molto attivo e stabile. Ma il loro campione era solo di circa 50 milligrammi (circa 1/100 di cucchiaino), e sapevano che avrebbero dovuto testarlo su una scala più ampia per dimostrare che poteva funzionare su convertitori catalitici reali. Hanno presentato il loro progetto all'Harvard President's Innovation Challenge nel 2017 e hanno vinto il secondo posto, il che ha dato loro la certezza che aveva il potenziale per avere successo commerciale e tecnico. Quello stesso anno, hanno fatto domanda e sono stati accettati come progetto di convalida presso il Wyss Institute, e ha trascorso i due anni successivi a lavorare sull'ottimizzazione e sul potenziamento della loro tecnologia.

Il mese scorso il team ha compiuto un altro balzo in avanti verso l'obiettivo di rendere un'aria più pulita una realtà creando una startup, Marchio di metallo. Il loro prototipo più recente è stato recentemente convalidato da un laboratorio nazionale specializzato ed è ora in fase di test da parte di un partner industriale.

"La maggior parte dei nuovi materiali sviluppati nei laboratori accademici non arriva mai sul mercato perché funzionano davvero bene su piccola scala, ma la loro produzione in serie pur conservando la loro funzione è molto difficile e costosa. Abbiamo iniziato questo progetto da zero, da un'idea, e in pochi anni è quasi al punto in cui può funzionare in una gigantesca centrale elettrica per purificare grandi quantità di aria, " disse Elia Shirman, che ora è VP of Technology presso Metalmark.

Oltre alle grandi centrali elettriche e alle automobili, il team ha gli occhi puntati sull'applicazione della propria tecnologia alla purificazione dell'aria interna per le case, uffici, e altri edifici. L'aria interna offre una serie di sfide uniche:i tipi e le quantità di inquinanti variano notevolmente da edificio a edificio, e ci vorrebbe una grande quantità di energia per riscaldare l'aria ad una temperatura in cui gli attuali catalizzatori possono funzionare, quindi raffreddare nuovamente fino a un livello confortevole. Ma gli Shirman credono che con qualche altra modifica ingegneristica, la loro tecnologia potrebbe arrivarci.

"Questa piattaforma è estremamente flessibile, e ci consente di affrontare rapidamente problemi specifici che potrebbero sorgere per quanto riguarda la purificazione dell'aria. Per esempio, potrebbe essere dotato di proprietà antivirali per filtrare le particelle di virus dall'aria, che aiuterebbe a ridurre le infezioni negli ambienti ospedalieri e potrebbe essere impiegato durante future pandemie per aiutare a salvare vite umane, ", ha detto Tanya Shirman.