Shaama Sharada noemt kooldioxide – de grootste boosdoener van de opwarming van de aarde – een zeer stabiel, "heel blij molecuul."

Daar wil ze verandering in brengen.

Onlangs gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry A , Sharada en een team van onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering proberen CO . te breken ₂ uit elkaar halen en het broeikasgas omzetten in bruikbare materialen zoals brandstoffen of consumentenproducten, variërend van farmaceutica tot polymeren.

Typisch, dit proces kost enorm veel energie. Echter, in de eerste computationele studie in zijn soort, Sharada en haar team schakelden een duurzamere bondgenoot in:de zon.

specifiek, ze toonden aan dat ultraviolet (UV) licht zeer effectief kan zijn in het opwekken van een organisch molecuul, oligofenyleen. Bij blootstelling aan UV, oligofenyleen wordt een negatief geladen "anion, " gemakkelijk elektronen overbrengen naar het dichtstbijzijnde molecuul, zoals CO ₂ —waardoor de CO ₂ reactief en kunnen worden verkleind en omgezet in dingen zoals plastic, drugs of zelfs meubels.

"CO ₂ is notoir moeilijk te verminderen, daarom leeft het tientallen jaren in de atmosfeer, " zei Sharada. "Maar dit negatief geladen anion is in staat om zelfs zoiets stabiels als CO . te reduceren ₂ , dat is waarom het veelbelovend is en waarom we het bestuderen."

De snel groeiende concentratie van kooldioxide in de atmosfeer van de aarde is een van de meest urgente problemen die de mensheid moet aanpakken om een ​​klimaatcatastrofe te voorkomen.

Sinds het begin van het industriële tijdperk, mensen hebben atmosferische CO . verhoogd ₂ met 45%, door de verbranding van fossiele brandstoffen en andere emissies. Als resultaat, de gemiddelde temperatuur op aarde is nu twee graden Celsius warmer dan in het pre-industriële tijdperk. Dankzij broeikasgassen zoals CO ₂ , de warmte van de zon blijft gevangen in onze atmosfeer, onze planeet opwarmen.

Het onderzoeksteam van de Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science werd geleid door derdejaars Ph.D. student Kareesa Kron, onder toezicht van Sharada, een WISE Gabilan-assistent-professor. Het werk is mede-auteur van Samantha J. Gomez van Francisco Bravo Medical Magnet High School, die deel uitmaakte van het USC Young Investors Program, waardoor middelbare scholieren uit ondervertegenwoordigde gebieden kunnen deelnemen aan STEM-onderzoek.

Veel onderzoeksteams kijken naar methoden om CO . om te zetten ₂ dat is opgevangen uit emissies in brandstoffen of op koolstof gebaseerde grondstoffen voor consumentenproducten, variërend van farmaceutische producten tot polymeren.

Het proces gebruikt traditioneel ofwel warmte of elektriciteit samen met een katalysator om CO . te versnellen ₂ omzetten in producten. Echter, veel van deze methoden zijn vaak energie-intensief, wat niet ideaal is voor een proces dat gericht is op het verminderen van de milieueffecten. Het is aantrekkelijk om in plaats daarvan zonlicht te gebruiken om het katalysatormolecuul te prikkelen omdat het energiezuinig en duurzaam is.

"De meeste andere manieren om dit te doen, zijn het gebruik van op metaal gebaseerde chemicaliën, en die metalen zijn zeldzame aardmetalen, "zei Sharada. "Ze kunnen duur zijn, ze zijn moeilijk te vinden en kunnen mogelijk giftig zijn."

Sharada zei dat het alternatief is om op koolstof gebaseerde organische katalysatoren te gebruiken voor het uitvoeren van deze door licht ondersteunde conversie. Echter, deze methode brengt zijn eigen uitdagingen met zich mee, die het onderzoeksteam wil aanpakken. Het team gebruikt kwantumchemische simulaties om te begrijpen hoe elektronen bewegen tussen de katalysator en CO ₂ om de meest levensvatbare katalysatoren voor deze reactie te identificeren.

Sharada zei dat het werk de eerste computationele studie in zijn soort was, in die zin dat onderzoekers niet eerder het onderliggende mechanisme hadden onderzocht van het verplaatsen van een elektron van een organisch molecuul zoals oligofenyleen naar CO ₂ . Het team ontdekte dat ze systematische modificaties kunnen uitvoeren aan de oligofenyleenkatalysator, door groepen atomen toe te voegen die specifieke eigenschappen verlenen wanneer ze aan moleculen zijn gebonden, die de neiging hebben om elektronen naar het centrum van de katalysator te duwen, om de reactie te versnellen.

Ondanks de uitdagingen, Sharada is enthousiast over de kansen voor haar team.

“Een van die uitdagingen is dat, Ja, ze kunnen straling benutten, maar heel weinig ervan bevindt zich in het zichtbare gebied, waar je er licht op kunt laten schijnen om de reactie te laten plaatsvinden, "zei Sharada. "Typisch, je hebt een UV-lamp nodig om het te laten gebeuren."

Sharada zei dat het team nu strategieën voor het ontwerpen van katalysatoren onderzoekt die niet alleen leiden tot hoge reactiesnelheden, maar het ook mogelijk maken dat het molecuul wordt geëxciteerd door zichtbaar licht. met behulp van zowel kwantumchemie als genetische algoritmen.

De onderzoekspaper markeert de eerste co-auteur van middelbare scholier Gomez in een prestigieus peer-reviewed tijdschrift.

Gomez was een senior aan de Bravo Medical Magnet-school toen ze in de zomer deelnam aan het USC Young Scientists-programma, werken in het laboratorium van Sharada. Ze werd direct begeleid en getraind in theorie en simulaties door Kron. Sharada zei dat de bijdragen van Gomez zo indrukwekkend waren dat het team het erover eens was dat ze een auteurschap op het papier verdiende.

Gomez zei dat ze de kans genoot om te werken aan belangrijk onderzoek dat bijdraagt ​​aan ecologische duurzaamheid. Ze zei dat haar rol het uitvoeren van computationeel onderzoek was, berekenen welke constructies de CO . aanzienlijk konden verminderen ₂ .

"Traditioneel wordt ons getoond dat onderzoek afkomstig is van laboratoria waar je laboratoriumjassen moet dragen en met gevaarlijke chemicaliën moet werken, "Zei Gomez. "Ik genoot ervan dat ik elke dag nieuwe dingen leerde over onderzoek waarvan ik niet wist dat ze eenvoudig via computerprogramma's konden worden gedaan."

"De ervaring uit de eerste hand die ik opdeed, was gewoon de beste die ik had kunnen vragen, omdat het me in staat stelde mijn interesse in de chemische technologie te onderzoeken en te zien hoe er veel manieren zijn waarop levensreddend onderzoek kan worden gedaan, ' zei Gomez.