Een team van wetenschappers, waaronder onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), heeft een katalysator bestudeerd die zenuwgassen afbreekt, het elimineren van hun schadelijke en dodelijke effecten. Het onderzoek is vrijdag gepubliceerd, 19 april in de Journal of Physical Chemistry Letters .

"Ons werk maakt deel uit van een voortdurend, inspanning van meerdere instanties om soldaten en burgers te beschermen tegen chemische oorlogsmiddelen (CWA's), " zei Anatoly Frenkel, een fysicus met een gezamenlijke aanstelling bij Brookhaven Lab en Stony Brook University en de hoofdauteur van het papier. "Het onderzoek vereist dat we moleculaire interacties op zeer kleine schaal begrijpen, en om speciale karakteriseringsmethoden te ontwikkelen die in staat zijn om die interacties waar te nemen. Het is een zeer complexe set van problemen die ook een zeer directe maatschappelijke impact heeft."

De beste ontsmettingsmethode vinden

Sinds CWA's voor het eerst werden gebruikt in de Eerste Wereldoorlog, wetenschappers hebben meerdere methoden getest om hun toxische effecten te verminderen. Een van de meest gebruikelijke methoden is filtratie - met behulp van een absorberend materiaal, als een spons, dat zou voorkomen dat de chemicaliën zich verspreiden.

"Het nut van de filtratiemethode is beperkt, want zodra een filter zijn capaciteit heeft bereikt, het moet worden geregenereerd, VERWIJDERD, of vervangen, " Frenkel zei. "Wij geloven dat een betere aanpak zou zijn om de CWA te ontbinden met een katalysator, de chemische stof onschadelijk maken, terwijl de katalysator daarna opnieuw wordt gebruikt."

Om dieper in deze benadering te duiken, het onderzoeksteam richtte zich op de decontaminatie van sarin, een zenuwgas dat voorkomt dat spieren samentrekken en ontspannen. Sarin remt een belangrijk enzym in het lichaam dat een cruciale rol speelt bij het overbrengen van neuronale signalen naar de spieren. Als die signalen worden gecompromitteerd, spieren blijven in de samengetrokken vorm, die fataal wordt als belangrijke spieren, zoals het hart, kunnen niet bewegen.

"Onze focus is om slimme luchtfilters te ontwikkelen die sarin vernietigen voordat de moleculen zelfs maar een individu bereiken, " zei Virginia Tech-wetenschapper John Morris, die het onderzoeksteam hebben samengesteld. "Nieuwe katalysatoren die actief gifstoffen in de lucht afbreken, zouden worden gebruikt om zowel soldaten als burgers te beschermen tegen de verwoestende effecten van chemische oorlogsvoering."

Om de ontledingsmethode effectief te maken, de onderzoekers moesten een katalysator identificeren die sarin efficiënt kon afbreken, maar ook een die lang meegaat - een katalysator die niet te snel wordt geremd of een reactieproduct creëert dat actieve plaatsen zou blokkeren en de katalysator ineffectief zou maken.

In eerdere onderzoeken is scheikundigen identificeerden een groep materialen genaamd polyoxometalaten (POM's) als een goede kandidaat voor het ontbinden van zenuwgassen. Nutsvoorzieningen, Frenkel en zijn team hebben een uniek materiaal getest, opgesteld door teamleden van Emory University, die zirkoniumatomen heeft die twee POM-moleculen met elkaar verbinden.

"Om te identificeren waarom een ​​katalysator werkt, je moet zijn actieve site vinden, " zei Frenkel. "We veronderstelden dat de geïsoleerde zirkoniumatomen de actieve plaatsen waren voor deze katalysator. Om die theorie te testen, we hebben het materiaal niet slechts door één methode geanalyseerd, maar door veel karakteriseringstechnieken - een multimodale benadering die ons in staat stelde de actieve moleculen te isoleren van degenen die niet veranderen tijdens de reactie."

Aanvullend, hun experimenten werden uitgevoerd onder de reële omstandigheden waarin sarin zou worden gevonden - de gasfase. Eerder onderzoek naar POM-katalysatoren voor CWA-decontaminatie was alleen in de vloeibare fase uitgevoerd.

Alle experimenten werden uitgevoerd met een onschadelijke sarin-gassimulant. "Het is belangrijk om te erkennen dat gevaarlijke materialen zoals zenuwgassen niet gemakkelijk kunnen worden bestudeerd in conventionele onderzoeksfaciliteiten, zoals Brookhaven Lab, "zei Frenkel. "Dus, op het gebied van CWA-saneringsonderzoek, wetenschappers werken niet met echte zenuwgassen maar met simulanten die hun activiteit nabootsen zonder schade aan te richten."

Om te bevestigen dat hun simulant zich op dezelfde manier gedroeg als sarin, de experimenten van het onderzoeksteam werden herhaald met echte sarin door het CCDC Chemical Biological Center (CBC) van het Amerikaanse leger in Aberdeen Proving Ground.

"Door onze metingen te koppelen aan de mogelijkheid om agenttests uit te voeren onder identieke omgevingsomstandigheden, konden we het simulantwerk valideren en volledig begrijpen hoe de POM adsorbeert en reageert met chemische oorlogsmiddelen, " zei Wesley Gordon, een co-auteur van het artikel.

De katalysator bestuderen vanuit een multimodale benadering

Voor de eerste studie aan Brookhaven, de onderzoekers voerden röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) uit - een onderzoekstechniek die ultraheldere röntgenstralen gebruikt om de elementaire samenstelling van een monster te meten.

"XPS is een techniek die gevoelig is voor de kinetische energie van een foto-elektron dat uit een materiaal wordt verdreven wanneer het wordt geraakt door de ultraheldere röntgenstralen, "zei Frenkel. "Door deze techniek te gebruiken, we zagen een verandering in de ladingstoestand van het zirkoniumatoom in het molecuul, wat ons vertelt dat het zirkonium in de katalysator reageert met het zenuwgas."

Vanaf daar, het team vergeleek gegevens van verschillende aanvullende technieken, die werden voltooid bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) en SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) - twee DOE Office of Science User Facilities.

"Bij NSLS-II, we gebruikten een techniek genaamd in situ röntgendiffractie om ordening of wanorde op lange afstand in de atomaire structuren te onthullen, " zei Sanjit Ghose, beamline-wetenschapper bij NSLS-II's X-ray Powder Diffraction (XPD) beamline, waar het onderzoek is uitgevoerd. "Het vergelijken van de diffractiepatronen toonde duidelijk de wanorde van het zirkonium-POM-kristalrooster met de adsorptie van de simulantmoleculen."

Bij SSRL, een techniek genaamd X-ray absorptie fijne structuur spectroscopie werd gebruikt om veranderingen in de lokale atomaire omgeving rond zirkonium in verschillende stadia van de chemische reactie te identificeren.

Theorie maakt de puzzel compleet

Na het correleren van de resultaten van hun reeks experimentele technieken, de wetenschappers ontdekten iets verrassends.

"Gebruikelijk, een katalysator is een stijve structuur die stabiel blijft, "zei Frenkel. "Aanvankelijk, deze katalysator was een dimeer - twee grote moleculen verbonden door twee overbruggende bindingen. Het zag eruit als een fiets met twee wielen en een frame dat ze verbond. Wat we begrepen na het bekijken van de katalysator met al deze technieken, is dat de fiets in twee 'wielen' brak en het 'frame' werd doorgesneden."

Met behulp van computermodellen van de katalysator, de computationele chemici van het team van Virginia Tech en Emory University hebben vastgesteld dat de structurele veranderingen zirkoniumatomen blootstelden aan sarin, en de interacties tussen sarin en zirkonium bleken verantwoordelijk te zijn voor de afbraak van het zenuwgas.

"Het proces van het breken van het dimeer was gelijk aan het activeren van de katalysator, ' zei Frenkel.

In de volgende fase van het onderzoek, het team zal voortbouwen op hun resultaten om katalysatoren met geïsoleerde zirkoniumsites te ontwerpen en te optimaliseren, gebaseerd op andere poreuze materialen die een verhoogde activiteit hebben voor het ontleden van CWA's.