No final dos anos 1700, uma química escocesa chamada Elizabeth Fulhame descobriu que certas reações químicas ocorriam apenas na presença de água e que, no final dessas reações, a quantidade de água não se esgotou. Fulhame foi o primeiro cientista a demonstrar o poder de um catalisador - um material que pode acelerar uma reação química sem ser consumido por ele.

Duzentos anos depois, catalisam um dos motores da vida moderna. A indústria química depende de catalisadores para 90 por cento de seus processos - tudo, desde o refino de petróleo, transformando petróleo em plástico, e produção de fertilizantes, alimentos e medicamentos, para limpar o ar de poluentes nocivos emitidos por carros e fábricas.

Projetar sistemas catalíticos para uma ampla gama de aplicações é um grande desafio. Os catalisadores precisam ser integrados em sistemas que abrangem uma ampla gama de tamanhos, formas, e composições de materiais, e controlar uma variedade de reações químicas sob condições muito diferentes. Além disso, a maioria dos catalisadores especializados dependem de metais raros e caros, como platina, paládio, e ródio suportado em matrizes de metal de alta área superficial ou de óxido de metal.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) e do Instituto Harvard Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia desenvolveu e testou uma nova abordagem para otimizar o projeto de sistemas catalíticos ajustáveis.

A pesquisa, liderado por Joanna Aizenberg, o Professor Amy Smith Berylson de Ciência dos Materiais e Professor de Química e Biologia Química, é descrito em uma série de artigos publicados em Materiais avançados , Materiais Funcionais Avançados , e Chemistry-A European Journal . Aizenberg também é um membro do corpo docente do Instituto Wyss.

Um dos maiores desafios no desenvolvimento de catalisadores eficazes é projetar os sólidos porosos nanoestruturados nos quais ocorrem as reações. Por muito tempo, A pesquisa de Aizenberg tem se concentrado no estudo de materiais naturais complexos micro e nanoestruturados - como aqueles em opalas iridescentes ou em asas de borboleta - e desvendar as maneiras pelas quais a biologia controla a química e a morfologia de seus blocos de construção em nanoescala. Inspirado por processos naturais, a equipe de pesquisadores do SEAS e Wyss desenvolveu uma metodologia para criar perfeitos, altamente ordenado, micromateriais opala-like para uma ampla gama de reações catalíticas e fotocatalíticas.

Para criar essas estruturas, os pesquisadores introduziram um método de co-montagem em que minúsculos, partículas esféricas e precursores de matriz são depositados simultaneamente a partir de uma única mistura para produzir filmes sem defeitos em escalas centimétricas. Os pesquisadores demonstraram esse processo com materiais catalíticos amplamente usados, incluindo titânia, alumina e zircônia, incorporando várias nanopartículas mono e multi-metálicas.

"Expandir esta metodologia para materiais cristalinos não biológicos resultará em arquiteturas em microescala com fotônica aprimorada, eletrônico, e propriedades catalíticas, "disse Tanya Shirman, um pós-doutorado no SEAS e Technology Development Fellow no Wyss Institute e co-autor da pesquisa.

No projeto das próprias partículas catalíticas, os pesquisadores também se voltaram para a natureza, usando bio-catalisadores, como enzimas, para inspiração. Em sistemas biológicos, os materiais catalíticos em nanoescala se ligam a entidades maiores, como proteínas e células, que se auto-organizam para formar redes maiores de sítios catalíticos projetados com precisão.

"A natureza teve bilhões de anos de P&D para aperfeiçoar o projeto de sistemas catalíticos, "disse Tanya Shirman." Como resultado, eles são incrivelmente eficientes e permitem a coordenação e o ajuste fino de reações sofisticadas por meio do posicionamento ideal dos complexos catalíticos. "

Os pesquisadores imitaram a arquitetura hierárquica dos catalisadores naturais, desenvolvendo uma plataforma altamente modular que constrói catalisadores complexos a partir de coloides orgânicos e nanopartículas catalíticas inorgânicas. A equipe pode controlar tudo, desde a composição, Tamanho, e colocação das nanopartículas catalíticas ao tamanho do colóide, forma, e conectividade, e a forma geral e os padrões da rede. Os sistemas catalíticos resultantes usam quantidades significativamente menores de metais preciosos do que os catalisadores existentes.

"O metal precioso é um recurso muito limitado, "disse Elijah Shirman, um pós-doutorado no SEAS e Wyss Institute e co-autor da pesquisa. "Ao otimizar o design e minimizar a quantidade de metais preciosos usados ​​em sistemas catalíticos, podemos criar catalisadores mais sustentáveis ​​em geral e usar materiais catalíticos de maneiras que atualmente não são acessíveis. "

O método é relativamente simples:primeiro, as nanopartículas catalíticas se ligam aos coloides por meio de vários tipos de ligações químicas e físicas. Revestido com nanopartículas, os coloides são colocados em uma solução de precursor de matriz e podem se automontar no padrão desejado, que pode ser controlado confinando o conjunto dentro de uma determinada forma. Por último, os coloides são removidos para que uma rede estruturada que é decorada com nanopartículas parcialmente embutidas dentro da matriz seja formada. Esta arquitetura porosa hierárquica com sítios catalíticos firmemente fixados maximiza a área de superfície para a reação catalítica e aumenta a robustez do catalisador.

"Nossa plataforma sintética permite pegar os componentes da montagem e formar uma rede totalmente interconectada, microarquitetura porosa altamente ordenada, em que nanopartículas catalíticas são exclusivamente incorporadas, "disse Tanya Shirman." Isso proporciona uma mecânica excepcional, térmico, e estabilidade química, bem como alta área de superfície e total acessibilidade aos reagentes de difusão. "

"A tecnologia desenvolvida em meu laboratório é particularmente promissora para preencher a lacuna entre a P&D de última geração e as aplicações do mundo real, "disse Joanna Aizenberg." Devido ao seu design modular e facilidade de ajuste, esta estrutura pode ser usada em vários campos, desde a síntese de importantes produtos químicos, para a redução da poluição. Nossos resultados mostram claramente que agora somos capazes de criar melhores catalisadores, use menos metais preciosos e melhore os processos catalíticos conhecidos. "

Esta tecnologia está sendo validada e desenvolvida para comercialização pelo Wyss Institute.

A equipe de Aizenberg está atualmente se concentrando no desenvolvimento de catalisadores de próxima geração para uma série de aplicações - de tecnologias de ar limpo e conversores catalíticos a eletrodos avançados para células de combustível catalíticas - na esperança de testar seus projetos em breve em sistemas do mundo real.

A equipe recebeu recentemente o segundo lugar no Desafio de Inovação do Presidente de Harvard, que identifica e promove empreendimentos tecnológicos promissores com potencial para impactos sociais e ambientais significativos.