Los fertilizantes sintéticos a base de nitrógeno forman la columna vertebral del suministro mundial de alimentos, pero su fabricación requiere una enorme cantidad de energía. Ahora, El modelado por computadora en la Universidad de Princeton apunta a un método que podría reducir drásticamente la energía necesaria mediante el uso de la luz solar en el proceso de fabricación.

Los fabricantes actualmente fabrican fertilizantes, productos farmacéuticos y otros productos químicos industriales extrayendo nitrógeno del aire y combinándolo con hidrógeno. El gas nitrógeno es abundante, constituyendo alrededor del 78 por ciento del aire. Pero el nitrógeno atmosférico es difícil de usar porque está encerrado en pares de átomos, llamado N ₂ , y el enlace entre estos dos átomos es el segundo más fuerte de la naturaleza. Por lo tanto, se necesita mucha energía para dividir el N ₂ molécula y permitir que los átomos de nitrógeno e hidrógeno se combinen. La mayoría de los fabricantes utilizan el proceso Haber-Bosch, una técnica centenaria que expone la N ₂ e hidrógeno a un catalizador de hierro en una cámara calentada a más de 400 grados Celsius. El método usa tanta energía que Ciencias La revista informó que la fabricación de fertilizantes y compuestos similares representa aproximadamente el 2 por ciento del uso mundial de energía cada año.

Un equipo de investigación dirigido por Emily Carter, Decano de ingeniería de Princeton y profesor Gerhard R. Andlinger de energía y medio ambiente, Quería saber si sería posible utilizar la luz para debilitar el enlace en la molécula de nitrógeno atmosférico. Si es así, permitiría a los fabricantes reducir radicalmente la energía necesaria para dividir el nitrógeno para su uso en fertilizantes y una amplia gama de otros productos.

"Aprovechar la energía de la luz solar para activar moléculas inertes como el nitrógeno, y gases de efecto invernadero metano y dióxido de carbono para el caso, es un gran desafío para la producción química sostenible, "dijo Carter, quien es profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial y de matemáticas aplicadas y computacionales. "Reemplazando las altas temperaturas tradicionales que consumen mucha energía, fabricación de productos químicos de alta presión con luz solar, Los procesos a temperatura ambiente son otra forma de disminuir nuestra dependencia de los combustibles fósiles ".

Los investigadores estaban interesados ​​en aprovechar el comportamiento único de la luz cuando interactúa con nanoestructuras metálicas más pequeñas que una sola longitud de onda de luz. Entre otros efectos, el fenómeno, llamada resonancia de plasmón de superficie, Puede concentrar la luz y mejorar los campos eléctricos. Dr. John Mark Martirez, investigador postdoctoral y miembro del equipo de investigación de Princeton, dijo que los investigadores creían que sería posible usar resonancias de plasmón para aumentar el poder de un catalizador para dividir las moléculas de nitrógeno.

"Es un método diferente de entregar energía para romper el vínculo, ", dijo." En lugar de usar calor, estamos usando la luz ".

En un artículo del 5 de enero en la revista Avances de la ciencia , los investigadores describen cómo utilizaron simulaciones por computadora para modelar el comportamiento de la luz en estructuras diminutas hechas de oro y molibdeno. El oro es uno de una clase de metales, incluyendo cobre y aluminio, que se puede moldear para producir resonancias de plasmones superficiales. Los investigadores utilizaron un conjunto de herramientas de modelado por computadora para simular nanoestructuras hechas de oro, y añadió molibdeno a su superficie, que es un metal que puede dividir moléculas de nitrógeno.

"El metal plasmónico actúa como un pararrayos, ", Dijo Martirez." Concentra una gran cantidad de energía luminosa en un área muy pequeña ".

La energía de la luz concentrada aumenta efectivamente la capacidad del molibdeno para separar los dos átomos de nitrógeno.

"La interacción de la luz magnifica el campo eléctrico cerca de la superficie del catalizador, que ayuda a romper el vínculo, "Dijo Martirez.

Los cálculos de los investigadores indican que la técnica de resonancia de plasmón debería poder reducir sustancialmente la energía necesaria para romper las moléculas de nitrógeno atmosférico. Carter dijo que el modelo indica que debería ser posible disociar la molécula de nitrógeno a temperatura ambiente y a presiones más bajas que las requeridas por el proceso Haber-Bosch.

Simular el proceso y al mismo tiempo considerar el efecto de la luz fue un desafío. La mayoría de los modelos informáticos que pueden evaluar con precisión las reacciones químicas a nivel molecular, y dar cuenta de los cambios inducidos por la luz, solo puede simular unos pocos átomos a la vez. Si bien esto es científicamente valioso, no suele ser suficiente para evaluar los procesos industriales.

Entonces, los investigadores recurrieron a una técnica desarrollada originalmente por Carter que permite a los científicos usar métodos altamente precisos para modelar un pequeño fragmento de la superficie y luego extender esos resultados para comprender un sistema más amplio. La técnica, llamada teoría de la función de onda correlacionada incrustada, ha sido verificado repetidamente y ampliamente utilizado dentro del grupo Carter, y los investigadores confían en su aplicación al problema de la división del nitrógeno.

Carter dijo que su equipo está colaborando con Naomi Hallas y Peter Nordlander de Rice University para probar la técnica de resonancia de plasmón en el laboratorio. Los investigadores han trabajado juntos en proyectos similares en el pasado, incluida la demostración de la disociación de moléculas de hidrógeno en nanopartículas de oro puro.

Como siguiente paso, Carter dijo que le gustaría extender la técnica de resonancia de plasmón a otros enlaces químicos fuertes. Un candidato es el enlace carbono-hidrógeno en el metano. Los fabricantes utilizan gas natural para suministrar hidrógeno en fertilizantes, así como otros productos químicos industriales importantes. Por lo tanto, encontrar un método de baja energía para romper ese vínculo también podría ser de gran ayuda para la fabricación.