A medida que las vidas de millones de personas en todo el mundo se vieron afectadas por las medidas de distanciamiento social para combatir la pandemia de COVID-19 a principios de 2020, surgió una buena noticia inesperada:los niveles de contaminación del aire en las principales ciudades se habían reducido hasta en un 50% debido a la reducción global de viajes, fabricación, y construccion. Los efectos más dramáticos se vieron en India, hogar de 14 de las 20 ciudades más contaminadas de la Tierra, donde las personas publicaron fotos en las redes sociales que muestran cielos azules y aire limpio por primera vez en la memoria reciente.

El indulto temporal fue un duro recordatorio de que el motor de la sociedad moderna funciona con la combustión de combustibles fósiles. que libera una mezcla nociva de productos químicos en el aire, incluido el gas venenoso de monóxido de carbono, COV (compuestos orgánicos volátiles) como el formaldehído que pueden causar cáncer, y óxidos de nitrógeno que reaccionan con los COV para crear ozono, que causa problemas respiratorios e incluso muerte prematura. La Organización Mundial de la Salud estima que siete millones de personas mueren cada año debido a la contaminación del aire. y Greenpeace Southeast Asia ha informado que el aire contaminado cuesta al mundo billones de dólares en atención médica anualmente.

El problema del aire sucio no es nuevo:incluso la quema de madera libera sustancias químicas tóxicas que pueden causar problemas de salud cuando se inhalan. Pero la explosión de la manufactura durante la Revolución Industrial condujo a niveles sin precedentes de contaminación del aire que continuaron en gran medida sin control a principios del siglo XX. exacerbado por la adopción generalizada de automóviles que queman gasolina. No hubo formas efectivas de eliminar los contaminantes de los gases de escape hasta la década de 1950, cuando el ingeniero mecánico Eugene Houdry inventó el primer convertidor catalítico para abordar el smog negro que asfixiaba Los Ángeles y otras ciudades estadounidenses.

Los convertidores catalíticos utilizan un catalizador, generalmente un metal caro como el platino o el paladio, acelerar las reacciones químicas entre el oxígeno y los contaminantes del aire para convertirlos en subproductos menos tóxicos como el vapor de agua, dióxido de carbono, y gas nitrógeno. Dirigir los gases de escape a través de una carcasa metálica recubierta con el catalizador puede eliminar hasta el 98% de los contaminantes de ellos, y las regulaciones que exigen la instalación de convertidores catalíticos en automóviles y chimeneas han ayudado a mejorar drásticamente la calidad del aire en ciudades de todo el mundo desde la década de 1970.

A pesar del éxito de los convertidores catalíticos para reducir la contaminación liberada por cada automóvil o fábrica, El dramático aumento en el número de vehículos y edificios industriales en el planeta durante los últimos 50 años ha provocado una disminución generalizada de la calidad del aire. La investigación de la química atmosférica ha revelado que la composición de los gases de escape es más compleja de lo que se pensaba originalmente. y se han tenido que agregar múltiples etapas a los convertidores catalíticos para eliminar diferentes contaminantes, aumentando su costo. También los encarece la escasez de metales preciosos que se utilizan para catalizar las reacciones; hoy, el platino cuesta alrededor de $ 785 por onza. Ese gasto no solo limita la instalación de convertidores catalíticos a grandes fabricantes con bolsillos profundos, impulsa un próspero negocio delictivo en el que los ladrones roban los convertidores catalíticos de los automóviles y los venden en el mercado negro por los metales que contienen. Reemplazar un convertidor catalítico puede costar fácilmente más de $ 1, 000, que muchas personas en países de bajos ingresos simplemente no pueden pagar, por lo que continúan conduciendo vehículos que eructan contaminación sin filtrar.

Pequeñas estructuras gran impacto

Cualquier solución a este problema multifacético debe lograr un equilibrio complicado de reducir el costo de los convertidores catalíticos sin comprometer su rendimiento. y debe ser lo suficientemente flexible para eliminar múltiples sustancias diferentes del escape. Mientras trabajaba en el laboratorio de Joanna Aizenberg, miembro de la facultad de Wyss Core, ex investigadores del Instituto Wyss Tanya Shirman, Doctor. y Elijah Shirman, Doctor. descubrió que la naturaleza creó una solución de este tipo hace millones de años que se ha estado escondiendo a la vista desde entonces:alas de mariposa.

Cuando se inspecciona con un microscopio, se revela que la superficie del ala de una mariposa tiene un poro, arquitectura rígida que le da al ala sus propiedades físicas únicas, incluido el color, resistencia al agua, estabilidad, y control de temperatura. Los Shirman se dieron cuenta de que podían imitar esta arquitectura a nanoescala para crear un andamio personalizable para catalizadores que les permitiera controlar todo, desde la composición, Talla, y colocación de las nanopartículas catalíticas con la forma y el patrón del andamio.

"Los convertidores catalíticos de hoy tienen tres problemas principales:son caros debido a los metales preciosos, son ineficientes porque gran parte del catalizador nunca entra en contacto con el aire que se supone que debe limpiar, y los catalizadores solo funcionan dentro de un rango de temperatura específico, así que antes de que se caliente un coche o una fábrica, "están arrojando contaminación que no se limpia, "dijo Tanya Shirman, quien ahora es vicepresidente de diseño de materiales en Metalmark. "Ahora, necesitaría desarrollar materiales separados para abordar los problemas de costo, rendimiento, y estabilidad de temperatura, pero nuestra tecnología puede resolver los tres problemas a la vez ".

El equipo ha creado un prototipo en el que se colocan nanopartículas del catalizador en puntos precisos del andamio coloidal orgánico en forma de panal para garantizar que todo el catalizador quede expuesto a los gases de escape. minimizando el desperdicio y produciendo una limpieza más eficiente. También puede funcionar eficazmente a temperaturas más bajas que un convertidor catalítico típico, reduciendo tanto la contaminación liberada por los motores "fríos" como el consumo de energía. En tono rimbombante, el sistema está diseñado para integrarse perfectamente en el proceso de producción de convertidores catalíticos existente. Debido a que el 70-90% del costo de fabricación proviene de la compra del metal catalizador, un simple cambio al diseño de Shirman podría permitir la producción de convertidores catalíticos mucho más baratos, haciendo que la purificación del aire sea más asequible y, con suerte, provocando menos robos.

De la mesa de laboratorio a la central eléctrica

Los Shirman comenzaron a probar su idea en el laboratorio en 2016, y pudieron demostrar que su sistema producía un catalizador muy activo y estable. Pero su muestra tenía un tamaño de solo 50 miligramos (aproximadamente 1/100 de una cucharadita), y sabían que tendrían que probarlo a mayor escala para demostrar que podía funcionar en convertidores catalíticos reales. Presentaron su proyecto al Desafío de Innovación del Presidente de Harvard en 2017 y obtuvieron el segundo lugar, lo que les dio la confianza de que tenía el potencial de tener éxito tanto comercial como técnicamente. Ese mismo año, aplicaron y fueron aceptados como Proyecto de Validación en el Instituto Wyss, y pasó los dos años siguientes trabajando para optimizar y ampliar su tecnología.

Desde entonces, el mes pasado, el equipo dio otro gran paso hacia su objetivo de hacer realidad un aire más limpio mediante la creación de una nueva empresa. Metalmark. Su prototipo más reciente fue validado recientemente por un laboratorio nacional especializado y ahora está siendo probado por un socio industrial.

"La mayoría de los nuevos materiales desarrollados en laboratorios académicos nunca llegan al mercado porque funcionan muy bien a pequeña escala, pero fabricarlos en masa conservando su función es muy difícil y costoso. Empezamos este proyecto desde cero, de una idea, y en solo unos años está casi en el punto en el que puede funcionar en una planta de energía gigante para purificar grandes cantidades de aire, "dijo Elijah Shirman, quien ahora es vicepresidente de tecnología en Metalmark.

Además de las grandes centrales eléctricas y los automóviles, el equipo tiene la mira puesta en aplicar su tecnología a la purificación del aire interior de los hogares, oficinas y otros edificios. El aire interior ofrece su propio conjunto único de desafíos:los tipos y cantidades de contaminantes varían drásticamente de un edificio a otro, y se necesitaría una gran cantidad de energía para calentar el aire a una temperatura en la que los catalizadores actuales puedan funcionar, luego enfríelo de nuevo a un nivel cómodo. Pero los Shirman creen que con algunos ajustes de ingeniería más, su tecnología podría llegar allí.

"Esta plataforma es extremadamente flexible, y nos permite abordar rápidamente problemas específicos que puedan surgir con respecto a la purificación del aire. Por ejemplo, podría estar equipado con propiedades antivirales para filtrar las partículas de virus del aire, que ayudaría a reducir las infecciones en entornos hospitalarios y podría implementarse durante futuras pandemias para ayudar a salvar vidas, "dijo Tanya Shirman.