Aangezien het leven van miljoenen mensen wereldwijd werd verstoord door maatregelen op het gebied van sociale afstand om de COVID-19-pandemie begin 2020 te bestrijden, er kwam onverwacht goed nieuws naar boven:de luchtvervuiling in de grote steden was tot 50% gedaald als gevolg van de wereldwijde vermindering van het reizen, productie, en constructie. De meest dramatische effecten werden gezien in India, de thuisbasis van 14 van de 20 meest vervuilde steden op aarde, waar mensen voor het eerst in de recente herinnering foto's op sociale media plaatsten met blauwe luchten en heldere lucht.

De tijdelijke uitstel was een grimmige herinnering dat de motor van de moderne samenleving draait op de verbranding van fossiele brandstoffen, waarbij een schadelijke mix van chemicaliën in de lucht vrijkomt, waaronder giftig koolmonoxidegas, VOS (vluchtige organische stoffen) zoals formaldehyde die kanker kunnen veroorzaken, en stikstofoxiden die reageren met VOS om ozon te creëren, wat ademhalingsproblemen en zelfs vroegtijdige dood veroorzaakt. De Wereldgezondheidsorganisatie schat dat jaarlijks zeven miljoen mensen omkomen door luchtvervuiling, en Greenpeace Zuidoost-Azië heeft gemeld dat vervuilde lucht jaarlijks de wereld biljoenen dollars aan medische zorg kost.

Het probleem van vuile lucht is niet nieuw:zelfs bij het verbranden van hout komen giftige chemicaliën vrij die bij inademing gezondheidsproblemen kunnen veroorzaken. Maar de explosie van productie tijdens de industriële revolutie leidde tot ongekende niveaus van luchtvervuiling die grotendeels ongecontroleerd aanhielden tot het begin van de 20e eeuw, verergerd door de wijdverbreide acceptatie van auto's die op benzine rijden. Tot de jaren vijftig waren er geen effectieve manieren om verontreinigende stoffen uit uitlaatgassen te verwijderen. toen werktuigbouwkundig ingenieur Eugene Houdry de eerste katalysator uitvond om de zwarte smog aan te pakken die Los Angeles en andere Amerikaanse steden verstikte.

Katalysatoren maken gebruik van een katalysator, meestal een duur metaal zoals platina of palladium, om de chemische reacties tussen zuurstof en verontreinigende stoffen in de lucht te versnellen om ze om te zetten in minder giftige bijproducten zoals waterdamp, kooldioxide, en stikstofgas. Door uitlaatgassen door een metalen behuizing te leiden die is gecoat met de katalysator, kan tot 98% van de verontreinigende stoffen worden verwijderd, en regelgeving die de installatie van katalysatoren op auto's en schoorstenen vereist, hebben sinds de jaren zeventig bijgedragen aan een drastische verbetering van de luchtkwaliteit in steden over de hele wereld.

Ondanks het succes van katalysatoren bij het verminderen van de vervuiling die door elke auto of fabriek vrijkomt, de dramatische toename van het aantal voertuigen en industriële gebouwen op aarde in de afgelopen 50 jaar heeft geleid tot een algehele achteruitgang van de luchtkwaliteit. Onderzoek naar atmosferische chemie heeft aangetoond dat de samenstelling van uitlaatgassen complexer is dan aanvankelijk werd gedacht, en er moesten meerdere fasen aan katalysatoren worden toegevoegd om verschillende verontreinigende stoffen te verwijderen, hun kosten verhogen. Wat ze ook duurder maakt, is de schaarste aan edele metalen die worden gebruikt om de reacties te katalyseren - tegenwoordig, platina kost ongeveer $ 785 per ounce. Die kosten beperken niet alleen de installatie van katalysatoren tot grote fabrikanten met diepe zakken, het drijft een bloeiend misdaadbedrijf aan waarin dieven de katalysatoren van auto's stelen en ze op de zwarte markt verkopen voor de metalen die ze bevatten. Het vervangen van een katalysator kan gemakkelijk meer dan $ 1 kosten, 000, die veel mensen in lage-inkomenslanden simpelweg niet kunnen betalen, dus blijven ze voertuigen besturen die ongefilterde vervuiling uitspuwen.

kleine structuren, grote impact

Elke oplossing voor dit veelzijdige probleem moet een lastig evenwicht vinden tussen het verlagen van de kosten van katalysatoren zonder afbreuk te doen aan hun prestaties, en moet flexibel genoeg zijn om meerdere verschillende stoffen uit uitlaatgassen te verwijderen. Tijdens het werken in het lab van Wyss Core Faculty-lid Joanna Aizenberg, voormalig Wyss Institute-onderzoekers Tanya Shirman, doctoraat en Elia Shirman, doctoraat ontdekte dat de natuur miljoenen jaren geleden zo'n oplossing creëerde die zich sindsdien in het volle zicht heeft verstopt:vlindervleugels.

Bij inspectie onder een microscoop, het oppervlak van de vleugel van een vlinder blijkt een poreuze, rigide architectuur die de vleugel zijn unieke fysieke eigenschappen geeft, inclusief kleur, waterbestendigheid, stabiliteit, en temperatuurregeling. De Shirmans realiseerden zich dat ze deze architectuur op nanoschaal konden nabootsen om een ​​aanpasbare steiger voor katalysatoren te creëren waarmee ze alles konden regelen, van de compositie, maat, en plaatsing van de katalytische nanodeeltjes in de vorm en het patroon van de steiger.

"Katalysatoren hebben tegenwoordig drie grote problemen:ze zijn duur vanwege de edele metalen, ze zijn inefficiënt omdat veel van de katalysator nooit in contact komt met de lucht die het zou moeten reinigen, en de katalysatoren werken alleen binnen een bepaald temperatuurbereik, dus voordat een auto of een fabriek opwarmt, "ze spuwen gewoon vervuiling die niet wordt schoongemaakt, " zei Tanya Shirman, die nu VP Material Design bij Metalmark is. "Direct, u zou afzonderlijke materialen moeten ontwikkelen om de problemen van kosten aan te pakken, uitvoering, en temperatuurstabiliteit, maar onze technologie kan alle drie de problemen tegelijk oplossen."

Het team heeft een prototype gemaakt waarin nanodeeltjes van de katalysator op precieze punten op de honingraatachtige organische colloïde steiger worden geplaatst om ervoor te zorgen dat alle katalysator wordt blootgesteld aan uitlaatgassen. afval te minimaliseren en efficiënter te reinigen. Het kan ook effectief werken bij lagere temperaturen dan een typische katalysator, vermindering van zowel de vervuiling die vrijkomt door "koude" motoren als het energieverbruik. belangrijk, het systeem is ontworpen om naadloos te integreren in het bestaande productieproces van katalysatoren. Omdat 70-90% van de fabricagekosten afkomstig is van de aankoop van het katalysatormetaal, een simpele overstap naar het ontwerp van Shirmans zou de productie van veel goedkopere katalysatoren mogelijk maken, luchtzuivering betaalbaarder maken en hopelijk minder diefstallen veroorzaken.

Van de laboratoriumbank tot de energiecentrale

De Shirmans begonnen in 2016 met het testen van hun idee in het lab, en konden aantonen dat hun systeem een ​​zeer actieve en stabiele katalysator produceerde. Maar hun monster was slechts ongeveer 50 milligram groot (ongeveer 1/100e van een theelepel), en ze wisten dat ze het op grotere schaal moesten testen om te bewijzen dat het op echte katalysatoren zou kunnen werken. Ze dienden hun project in voor de Harvard President's Innovation Challenge in 2017 en wonnen de tweede plaats, wat hen het vertrouwen gaf dat het zowel commercieel als technisch zou kunnen slagen. Datzelfde jaar, ze solliciteerden en werden geaccepteerd als een validatieproject bij het Wyss Institute, en brachten de volgende twee jaar door met het optimaliseren en opschalen van hun technologie.

Vorige maand heeft het team sindsdien opnieuw een grote sprong gemaakt in de richting van hun doel om schonere lucht te realiseren door een startend bedrijf op te richten, Metaalmerk. Hun meest recente prototype is onlangs gevalideerd door een gespecialiseerd National Lab en wordt nu getest door een industriële partner.

"De meeste nieuwe materialen die in academische laboratoria zijn ontwikkeld, komen nooit op de markt omdat ze heel goed werken op kleine schaal, maar massaproductie ervan met behoud van hun functie is erg moeilijk en duur. We zijn dit project helemaal opnieuw begonnen, van een idee, en in slechts een paar jaar tijd is het bijna zover dat het kan werken in een gigantische energiecentrale om grote hoeveelheden lucht te zuiveren, " zei Elia Shirman, die nu VP of Technology is bij Metalmark.

Naast grote energiecentrales en auto's, het team heeft zijn zinnen gezet op het toepassen van hun technologie op de luchtzuivering binnenshuis voor woningen, kantoren, en andere gebouwen. Binnenlucht biedt zijn eigen unieke uitdagingen:de soorten en hoeveelheden verontreinigende stoffen variëren sterk van gebouw tot gebouw, en het zou een grote hoeveelheid energie kosten om de lucht te verwarmen tot een temperatuur waarbij de huidige katalysatoren kunnen werken, koel het dan weer af tot een comfortabel niveau. Maar de Shirmans geloven dat met nog een paar technische aanpassingen, hun technologie zou daar kunnen komen.

"Dit platform is extreem flexibel, en stelt ons in staat om snel specifieke problemen aan te pakken die zich kunnen voordoen met betrekking tot luchtzuivering. Bijvoorbeeld, het kan worden uitgerust met antivirale eigenschappen om virusdeeltjes uit de lucht te filteren, die infecties in ziekenhuisomgevingen zou helpen verminderen en zou kunnen worden ingezet tijdens toekomstige pandemieën om levens te helpen redden, ' zei Tanya Shirman.