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Shaama Sharada llama al dióxido de carbono, el peor infractor del calentamiento global, un muy estable, "Molécula muy feliz".
Ella apunta a cambiar eso.
Recientemente publicado en el Revista de química física A , Sharada y un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería de USC Viterbi buscan romper el CO 2 separar y convertir el gas de efecto invernadero en materiales útiles como combustibles o productos de consumo que van desde productos farmacéuticos hasta polímeros.
Típicamente, este proceso requiere una enorme cantidad de energía. Sin embargo, en el primer estudio computacional de este tipo, Sharada y su equipo contrataron a un aliado más sostenible:el sol.
Específicamente, demostraron que la luz ultravioleta (UV) podría ser muy eficaz para excitar una molécula orgánica, oligofenileno. Tras la exposición a los rayos UV, oligofenileno se convierte en un anión "cargado negativamente, "transfiriendo fácilmente electrones a la molécula más cercana, como CO 2 —Por lo tanto haciendo el CO 2 reactivo y capaz de reducirse y convertirse en cosas como plásticos, drogas o incluso muebles.
"CO 2 es notoriamente difícil de reducir, por eso vive durante décadas en la atmósfera, ", Dijo Sharada." Pero este anión cargado negativamente es capaz de reducir incluso algo tan estable como el CO 2 , por eso es prometedor y por qué lo estamos estudiando ".
La creciente concentración de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre es uno de los problemas más urgentes que la humanidad debe abordar para evitar una catástrofe climática.
Desde el comienzo de la era industrial, los seres humanos han aumentado el CO atmosférico 2 en un 45%, mediante la quema de combustibles fósiles y otras emisiones. Como resultado, Las temperaturas globales promedio son ahora dos grados Celsius más cálidas que en la era preindustrial. Gracias a gases de efecto invernadero como el CO 2 , el calor del sol permanece atrapado en nuestra atmósfera, calentando nuestro planeta.
El equipo de investigación del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Familia Mork fue dirigido por un Ph.D. de tercer año. estudiante Kareesa Kron, supervisado por Sharada, un profesor asistente de WISE Gabilan. El trabajo fue coautor de Samantha J. Gomez de Francisco Bravo Medical Magnet High School, que ha sido parte del Programa de Jóvenes Investigadores de la USC, Permitir que los estudiantes de secundaria de áreas subrepresentadas participen en la investigación STEM.
Muchos equipos de investigación están buscando métodos para convertir CO 2 que se ha capturado de las emisiones en combustibles o materias primas a base de carbono para productos de consumo que van desde productos farmacéuticos hasta polímeros.
El proceso utiliza tradicionalmente calor o electricidad junto con un catalizador para acelerar el CO 2 conversión en productos. Sin embargo, muchos de estos métodos suelen consumir mucha energía, lo cual no es ideal para un proceso que tiene como objetivo reducir los impactos ambientales. En su lugar, usar la luz solar para excitar la molécula catalizadora es atractivo porque es energéticamente eficiente y sostenible.
"La mayoría de las otras formas de hacer esto implican el uso de productos químicos a base de metales, y esos metales son metales de tierras raras, ", dijo Sharada." Pueden ser costosos, son difíciles de encontrar y potencialmente pueden ser tóxicos ".
Sharada dijo que la alternativa es utilizar catalizadores orgánicos a base de carbono para llevar a cabo esta conversión asistida por luz. Sin embargo, este método presenta desafíos propios, que el equipo de investigación pretende abordar. El equipo utiliza simulaciones de química cuántica para comprender cómo se mueven los electrones entre el catalizador y el CO. 2 para identificar los catalizadores más viables para esta reacción.
Sharada dijo que el trabajo fue el primer estudio computacional de este tipo, en que los investigadores no habían examinado previamente el mecanismo subyacente de mover un electrón de una molécula orgánica como oligofenileno a CO 2 . El equipo descubrió que pueden realizar modificaciones sistemáticas en el catalizador de oligofenileno, mediante la adición de grupos de átomos que imparten propiedades específicas cuando se unen a moléculas, que tienden a empujar los electrones hacia el centro del catalizador, para acelerar la reacción.
A pesar de los desafíos, Sharada está entusiasmada con las oportunidades para su equipo.
"Uno de esos desafíos es que, sí, pueden aprovechar la radiación, pero muy poco se encuentra en la región visible, donde puedas iluminarlo para que ocurra la reacción, "dijo Sharada." Normalmente, necesitas una lámpara ultravioleta para que esto suceda ".
Sharada dijo que el equipo ahora está explorando estrategias de diseño de catalizadores que no solo conducen a altas velocidades de reacción, sino que también permiten que la molécula se excite con la luz visible. utilizando tanto la química cuántica como los algoritmos genéticos.
El artículo de investigación marca la primera publicación en coautoría del estudiante de secundaria Gómez en una prestigiosa revista revisada por pares.
Gomez estaba en el último año de la escuela Bravo Medical Magnet cuando participó en el Programa de Jóvenes Investigadores de la USC durante el verano. trabajando en el laboratorio de Sharada. Kron la guió y entrenó directamente en teoría y simulaciones. Sharada dijo que las contribuciones de Gómez fueron tan impresionantes que el equipo estuvo de acuerdo en que ella merecía la autoría del artículo.
Gómez dijo que disfrutó de la oportunidad de trabajar en importantes investigaciones que contribuyen a la sustentabilidad ambiental. Dijo que su función consistía en realizar investigaciones computacionales, calcular qué estructuras pudieron reducir significativamente el CO 2 .
"Tradicionalmente, se nos muestra que la investigación proviene de laboratorios en los que hay que usar batas de laboratorio y trabajar con productos químicos peligrosos, "Dijo Gómez." Disfruté de que todos los días siempre estaba aprendiendo cosas nuevas sobre la investigación que no sabía que se podían hacer simplemente a través de programas de computadora ".
"La experiencia de primera mano que obtuve fue simplemente la mejor que pude haber pedido, ya que me permitió explorar mi interés en el campo de la ingeniería química y ver cómo hay muchas formas en que se puede lograr la investigación para salvar vidas, "Dijo Gómez.
