A finales del siglo XVIII, una química escocesa llamada Elizabeth Fulhame descubrió que ciertas reacciones químicas ocurrían solo en presencia de agua y que, al final de esas reacciones, la cantidad de agua no se agotó. Fulhame fue el primer científico en demostrar el poder de un catalizador, un material que puede acelerar una reacción química sin ser consumido por él.

Doscientos años después, catalizadores uno de los motores de la vida moderna. La industria química se basa en catalizadores para el 90 por ciento de sus procesos, desde la refinación de petróleo, convertir el petróleo en plástico, y producción de fertilizantes alimentarios y medicinales, a limpiar el aire de contaminantes nocivos emitidos por automóviles y fábricas.

El diseño de sistemas catalíticos para una gama tan amplia de aplicaciones es un gran desafío. Los catalizadores deben integrarse en sistemas que abarcan una amplia gama de tamaños, formas y composiciones de materiales, y controlar una variedad de reacciones químicas en condiciones muy diferentes. Además, La mayoría de los catalizadores especializados se basan en metales raros y caros como el platino, paladio, y rodio soportado sobre matrices metálicas o de óxido metálico de gran superficie.

Ahora, un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson y el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard ha desarrollado y probado un nuevo enfoque para optimizar el diseño de sistemas catalíticos sintonizables.

La investigación, dirigido por Joanna Aizenberg, la profesora Amy Smith Berylson de ciencia de los materiales y profesora de química y biología química, se describe en una serie de artículos publicados en Materiales avanzados , Materiales funcionales avanzados , y Química:una revista europea . Aizenberg también es miembro principal de la facultad del Instituto Wyss.

Uno de los mayores desafíos en el desarrollo de catalizadores efectivos es diseñar los sólidos porosos nanoestructurados en los que tienen lugar las reacciones. Por mucho tiempo, La investigación de Aizenberg se ha centrado en estudiar materiales naturales complejos micro y nanoestructurados, como los de ópalos iridiscentes o en alas de mariposa, y desentrañar las formas en que la biología controla la química y la morfología de sus bloques de construcción a nanoescala. Inspirado en procesos naturales, el equipo de investigadores de SEAS y Wyss desarrolló una metodología para crear perfectas, muy ordenado, micromateriales de tipo ópalo para una amplia gama de reacciones catalíticas y fotocatalíticas.

Para crear estas estructuras, los investigadores introdujeron un método de ensamblaje conjunto en el que pequeños, Las partículas esféricas y los precursores de la matriz se depositan simultáneamente a partir de una sola mezcla para producir películas sin defectos en escalas de centímetros. Los investigadores demostraron este proceso con materiales catalíticos ampliamente utilizados, incluyendo titania, alúmina y circonio, incorporando diversas nanopartículas mono y multimetálicas.

"La expansión de esta metodología a materiales cristalinos no biológicos dará como resultado arquitecturas a microescala con fotónicas mejoradas, electrónico, y propiedades catalíticas, "dijo Tanya Shirman, becario postdoctoral en SEAS y Technology Development Fellow en Wyss Institute y coautor de la investigación.

En el diseño de las propias partículas catalíticas, los investigadores también recurrieron a la naturaleza, utilizando biocatalizadores, como las enzimas, por inspiración. En sistemas biológicos, los materiales catalíticos a nanoescala se adhieren a entidades más grandes como proteínas y células, que se autoorganizan para formar redes más grandes de sitios catalíticos diseñados con precisión.

"La naturaleza ha tenido miles de millones de años de investigación y desarrollo para perfeccionar el diseño de sistemas catalíticos, "dijo Tanya Shirman." Como resultado, son increíblemente eficientes y permiten la coordinación y el ajuste de reacciones sofisticadas a través del posicionamiento óptimo de los complejos catalíticos ".

Los investigadores imitaron la arquitectura jerárquica de los catalizadores naturales al desarrollar una plataforma altamente modular que construye catalizadores complejos a partir de coloides orgánicos y nanopartículas catalíticas inorgánicas. El equipo puede controlar todo, desde la composición, Talla, y colocación de las nanopartículas catalíticas al tamaño del coloide, forma, y conectividad, y la forma y los patrones generales de la red. Los sistemas catalíticos resultantes utilizan cantidades significativamente menores de metales preciosos que los catalizadores existentes.

"El metal precioso es un recurso muy limitado, "dijo Elijah Shirman, becario postdoctoral en SEAS and Wyss Institute y coautor de la investigación. "Optimizando el diseño y minimizando la cantidad de metales preciosos utilizados en los sistemas catalíticos, podemos crear catalizadores más sostenibles en general y utilizar materiales catalíticos de formas que actualmente no son asequibles ".

El método es relativamente simple:Primero, las nanopartículas catalíticas se adhieren a los coloides a través de varios tipos de enlaces químicos y físicos. Recubierto con nanopartículas, los coloides se colocan a continuación en una solución de precursor de matriz y se dejan autoensamblar en el patrón deseado, que se puede controlar confinando el conjunto dentro de una determinada forma. Finalmente, los coloides se eliminan para que se forme una red estructurada que está decorada con nanopartículas parcialmente incrustadas dentro de la matriz. Esta arquitectura porosa jerárquica con sitios catalíticos firmemente unidos maximiza el área superficial para la reacción catalítica y mejora la robustez del catalizador.

"Nuestra plataforma sintética permite tomar los componentes del ensamblaje y formar un microarquitectura porosa muy ordenada, en el que se incorporan únicamente nanopartículas catalíticas, ", dijo Tanya Shirman." Esto proporciona una mecánica excepcional, térmico, y estabilidad química, así como una gran superficie y total accesibilidad a los reactivos en difusión ".

"La tecnología desarrollada en mi laboratorio es particularmente prometedora para cerrar la brecha entre la I + D de vanguardia y las aplicaciones del mundo real, ", dijo Joanna Aizenberg." Debido a su diseño modular y capacidad de sintonización, este marco se puede utilizar en varios campos desde la síntesis de productos químicos importantes, a la reducción de la contaminación. Nuestros resultados muestran claramente que ahora podemos crear mejores catalizadores, utilizar menos metales preciosos y mejorar los procesos catalíticos conocidos ".

Esta tecnología ahora está siendo validada y desarrollada para su comercialización por el Instituto Wyss.

El equipo de Aizenberg se está enfocando actualmente en desarrollar catalizadores de próxima generación para una serie de aplicaciones, desde tecnologías de aire limpio y convertidores catalíticos hasta electrodos avanzados para celdas de combustible catalíticas, con la esperanza de probar sus diseños pronto en sistemas del mundo real.

El equipo recibió recientemente el segundo lugar en el Desafío de innovación del presidente de Harvard, que identifica y promueve empresas tecnológicas prometedoras que tienen el potencial de generar impactos sociales y ambientales significativos.