Un equipo de científicos que incluye investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha estudiado un catalizador que descompone los agentes nerviosos, eliminando sus efectos nocivos y letales. La investigación se publicó el viernes, 19 de abril en el Revista de letras de química física .

"Nuestro trabajo es parte de un Esfuerzo de múltiples agencias para proteger a los soldados y civiles de los agentes de guerra química (CWA), "dijo Anatoly Frenkel, un físico con un cargo conjunto en Brookhaven Lab y Stony Brook University y el autor principal del artículo. "La investigación requiere que comprendamos las interacciones moleculares a muy pequeña escala, y desarrollar métodos de caracterización especiales que sean capaces de observar esas interacciones. Es un conjunto de problemas muy complejo que también tiene un impacto social muy inmediato ".

Encontrar el mejor método de descontaminación

Dado que los CWA se utilizaron por primera vez en la Primera Guerra Mundial, Los científicos han estado probando múltiples métodos para mitigar sus efectos tóxicos. Uno de los métodos más comunes es la filtración, utilizando un material absorbente, como una esponja, eso evitaría que los productos químicos se propaguen.

"La utilidad del método de filtración es limitada, porque una vez que un filtro alcanza su capacidad, necesita ser regenerado, remoto, o reemplazado, ", Dijo Frenkel." Creemos que un mejor enfoque sería descomponer el CWA con un catalizador, hacer que el químico sea inofensivo, mientras se reutiliza el catalizador después ".

Para profundizar en este enfoque, el equipo de investigación se centró en la descontaminación del sarín, un agente nervioso que evita que los músculos se contraigan y relajen. El sarín inhibe una enzima importante del cuerpo que desempeña un papel fundamental en la transmisión de señales neuronales a los músculos. Si esas señales se ven comprometidas, los músculos permanecen en la forma contraída, que se vuelve fatal como músculos clave, como el corazon, no pueden moverse.

"Nuestro objetivo es desarrollar filtros de aire inteligentes que destruyan el sarín antes de que las moléculas lleguen a un individuo, "dijo el científico de Virginia Tech, John Morris, quién armó el equipo de investigación. "Se utilizarían nuevos catalizadores que descomponen activamente las toxinas en el aire para proteger tanto a los soldados como a los civiles de los efectos devastadores de la guerra química".

Para que el método de descomposición sea efectivo, los investigadores necesitaban identificar un catalizador que pudiera descomponer el sarín de manera eficiente, pero también uno que tiene longevidad:un catalizador que no se inhibiría demasiado rápido ni crearía un producto de reacción que bloquearía los sitios activos y haría que el catalizador fuera ineficaz.

En estudios anteriores, Los químicos identificaron un grupo de materiales llamados polioxometalatos (POM) como un buen candidato para descomponer los agentes nerviosos. Ahora, Frenkel y su equipo han probado un material único, preparado por miembros del equipo de la Universidad de Emory, que tiene átomos de circonio que conectan dos moléculas de POM.

"Para identificar por qué funciona un catalizador, tienes que encontrar su sitio activo, "Dijo Frenkel." Presumimos que los átomos de circonio aislados eran los sitios activos para este catalizador. Para probar esa teoría, analizamos el material no solo con un método, pero mediante muchas técnicas de caracterización, un enfoque multimodal que nos permitió aislar las moléculas activas de las que no cambian durante la reacción ".

Adicionalmente, sus experimentos se llevaron a cabo en las condiciones de la vida real en las que se encontraría el sarín:la fase gaseosa. Las investigaciones anteriores sobre catalizadores POM para la descontaminación de CWA solo se habían realizado en la fase líquida.

Todos los experimentos se realizaron utilizando un simulante de gas sarín inofensivo. "Es importante reconocer que los materiales peligrosos como los gases nerviosos no se pueden estudiar fácilmente en instalaciones de investigación convencionales, como Brookhaven Lab, "Dijo Frenkel." Entonces, en el campo de la investigación de descontaminación CWA, los científicos no trabajan con agentes nerviosos reales, sino con simuladores que imitan su actividad sin causar daño ".

Para confirmar que su simulante se comportó de la misma manera que el sarín, Los experimentos del equipo de investigación fueron repetidos con sarín real por el CCDC Chemical Biological Center (CBC) del Ejército de los EE. UU. en Aberdeen Proving Ground.

"Combinar nuestras mediciones con la capacidad de realizar pruebas de agentes en condiciones ambientales idénticas nos permitió validar el trabajo de simulación y comprender completamente cómo el POM adsorbe y reacciona con los agentes de guerra química, "dijo Wesley Gordon, coautor del artículo.

Estudiar el catalizador desde un enfoque multimodal

Para el primer estudio en Brookhaven, Los investigadores llevaron a cabo espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), una técnica de investigación que utiliza rayos X ultrabrillantes para medir la composición elemental de una muestra.

"XPS es una técnica que es sensible a la energía cinética de un fotoelectrón que es expulsado de un material cuando es golpeado por rayos X ultrabrillantes, "dijo Frenkel." Usando esta técnica, observamos un cambio en el estado de carga del átomo de circonio en la molécula, lo que nos dice que es el circonio del catalizador el que reacciona con el agente nervioso ".

Desde allí, el equipo comparó datos de varias técnicas adicionales, que se completaron en la Fuente de luz de sincrotrón nacional II de Brookhaven (NSLS-II) y la Fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) del SLAC National Accelerator Laboratory, dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"En NSLS-II, utilizamos una técnica llamada difracción de rayos X in situ para revelar el orden o desorden de largo alcance en las estructuras atómicas, "dijo Sanjit Ghose, científico de línea de luz en la línea de luz de Difracción de Polvo de Rayos X (XPD) de NSLS-II, donde se realizó la investigación. "La comparación de los patrones de difracción mostró claramente el desorden de la red cristalina de circonio-POM con la adsorción de las moléculas simulantes".

En SSRL, Se utilizó una técnica llamada espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X para identificar cambios en el entorno atómico local alrededor del circonio en diferentes etapas de la reacción química.

La teoría completa el rompecabezas

Después de correlacionar los resultados de su conjunto de técnicas experimentales, los científicos descubrieron algo sorprendente.

"Generalmente, un catalizador es una estructura rígida que permanece estable, ", Dijo Frenkel." Inicialmente, este catalizador era un dímero:dos grandes moléculas conectadas por dos puentes. Parecía una bicicleta con dos ruedas y un cuadro que las conectaba. Lo que entendimos después de observar el catalizador con todas estas técnicas es que la bicicleta se rompió en dos 'ruedas' y el 'cuadro' se cortó ".

Usando modelos de computadora del catalizador, Los químicos computacionales del equipo de Virginia Tech y la Universidad de Emory determinaron que los cambios estructurales expusieron los átomos de circonio al sarín, y se encontró que las interacciones sarín-circonio eran responsables de la descomposición del agente nervioso.

"El proceso de romper el dímero era equivalente a activar el catalizador, "Dijo Frenkel.

En la siguiente etapa de la investigación, el equipo se basará en sus resultados para diseñar y optimizar catalizadores con sitios de circonio aislados, basado en otros materiales porosos que tienen una actividad mejorada para descomponer CWA.