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Shaama Sharada definisce l'anidride carbonica, il peggior responsabile del riscaldamento globale, un "molecola molto felice."
Ha lo scopo di cambiarlo.
Pubblicato di recente su Journal of Physical Chemistry A , Sharada e un team di ricercatori della USC Viterbi School of Engineering cercano di rompere la CO 2 separare e convertire i gas serra in materiali utili come combustibili o prodotti di consumo che vanno dai prodotti farmaceutici ai polimeri.
Tipicamente, questo processo richiede un'enorme quantità di energia. Però, nel primo studio computazionale del suo genere, Sharada e il suo team hanno arruolato un alleato più sostenibile:il sole.
Nello specifico, hanno dimostrato che la luce ultravioletta (UV) potrebbe essere molto efficace nell'eccitare una molecola organica, oligofenilene. Dopo l'esposizione ai raggi UV, l'oligofenilene diventa un "anione" con carica negativa, "trasferire facilmente gli elettroni alla molecola più vicina, come CO 2 —facendo così la CO 2 reattivo e in grado di essere ridotto e convertito in cose come la plastica, droghe o anche mobili.
"CO 2 è notoriamente difficile da ridurre, per questo vive da decenni nell'atmosfera, " Ha detto Sharada. "Ma questo anione caricato negativamente è in grado di ridurre anche qualcosa di stabile come CO 2 , ecco perché è promettente e perché lo stiamo studiando".
La concentrazione in rapida crescita di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre è uno dei problemi più urgenti che l'umanità deve affrontare per evitare una catastrofe climatica.
Dall'inizio dell'era industriale, gli esseri umani hanno aumentato la CO . atmosferica 2 del 45%, attraverso la combustione di combustibili fossili e altre emissioni. Di conseguenza, le temperature medie globali sono ora di due gradi Celsius più calde rispetto all'era preindustriale. Grazie ai gas serra come la CO 2 , il calore del sole rimane intrappolato nella nostra atmosfera, riscaldando il nostro pianeta.
Il team di ricerca del dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali della famiglia Mork è stato guidato dal dottorato di ricerca del terzo anno. studentessa Kareesa Kron, supervisionato da Sharada, un assistente professore di WISE Gabilan. Il lavoro è stato co-autore di Samantha J. Gomez della Francisco Bravo Medical Magnet High School, che ha fatto parte dell'USC Young Researchers Program, consentendo agli studenti delle scuole superiori di aree sottorappresentate di prendere parte alla ricerca STEM.
Molti gruppi di ricerca stanno esaminando metodi per convertire la CO 2 che è stato catturato dalle emissioni in combustibili o materie prime a base di carbonio per prodotti di consumo che vanno dai prodotti farmaceutici ai polimeri.
Il processo utilizza tradizionalmente calore o elettricità insieme a un catalizzatore per accelerare la CO 2 conversione in prodotti. Però, molti di questi metodi sono spesso ad alta intensità energetica, che non è l'ideale per un processo che mira a ridurre gli impatti ambientali. Usare invece la luce solare per eccitare la molecola del catalizzatore è attraente perché è efficiente dal punto di vista energetico e sostenibile.
"La maggior parte degli altri modi per farlo prevede l'uso di sostanze chimiche a base di metalli, e quei metalli sono metalli delle terre rare, " ha detto Sharada. "Possono essere costosi, sono difficili da trovare e possono essere potenzialmente tossici".
Sharada ha affermato che l'alternativa è utilizzare catalizzatori organici a base di carbonio per eseguire questa conversione assistita dalla luce. Però, questo metodo presenta sfide proprie, che il gruppo di ricerca si propone di affrontare. Il team utilizza simulazioni di chimica quantistica per capire come si muovono gli elettroni tra il catalizzatore e la CO 2 identificare i catalizzatori più vitali per questa reazione.
Sharada ha detto che il lavoro è stato il primo studio computazionale del suo genere, in quanto i ricercatori non avevano precedentemente esaminato il meccanismo sottostante per spostare un elettrone da una molecola organica come l'oligofenilene alla CO 2 . Il team ha scoperto che possono apportare modifiche sistematiche al catalizzatore oligofenilene, aggiungendo gruppi di atomi che conferiscono proprietà specifiche quando legati a molecole, che tendono a spingere gli elettroni verso il centro del catalizzatore, per accelerare la reazione.
Nonostante le sfide, Sharada è entusiasta delle opportunità per la sua squadra.
"Una di queste sfide è che, sì, possono sfruttare le radiazioni, ma molto poco di esso è nella regione visibile, dove puoi illuminarlo in modo che si verifichi la reazione, " ha detto Sharada. "In genere, hai bisogno di una lampada UV per realizzarlo."
Sharada ha affermato che il team sta ora esplorando strategie di progettazione di catalizzatori che non solo portano a velocità di reazione elevate, ma consentono anche alla molecola di essere eccitata dalla luce visibile, utilizzando sia la chimica quantistica che algoritmi genetici.
Il documento di ricerca segna la prima pubblicazione dello studente delle superiori Gomez in una prestigiosa rivista peer-reviewed.
Gomez era all'ultimo anno della scuola Bravo Medical Magnet quando ha preso parte al programma USC Young Researchers durante l'estate, lavorando nel laboratorio di Sharada. È stata direttamente istruita e addestrata in teoria e simulazioni da Kron. Sharada ha detto che i contributi di Gomez sono stati così impressionanti che il team ha convenuto che meritava una paternità sul giornale.
Gomez ha affermato di aver apprezzato l'opportunità di lavorare su importanti ricerche che contribuiscono alla sostenibilità ambientale. Ha detto che il suo ruolo consisteva nella conduzione di ricerche computazionali, calcolare quali strutture sono state in grado di ridurre significativamente la CO 2 .
"Tradizionalmente ci viene mostrato che la ricerca proviene da laboratori in cui devi indossare camici da laboratorio e lavorare con sostanze chimiche pericolose, " Gomez ha detto. "Mi è piaciuto il fatto che ogni giorno imparassi sempre cose nuove sulla ricerca che non sapevo potessero essere fatte semplicemente attraverso programmi per computer".
"L'esperienza di prima mano che ho acquisito è stata semplicemente la migliore che avrei potuto chiedere, poiché mi ha permesso di esplorare il mio interesse nel campo dell'ingegneria chimica e vedere come ci sono molti modi in cui è possibile realizzare ricerche salvavita, " ha detto Gomez.
