Uma equipe de cientistas, incluindo pesquisadores do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), estudou um catalisador que decompõe os agentes nervosos, eliminando seus efeitos nocivos e letais. A pesquisa foi publicada sexta-feira, 19 de abril no Journal of Physical Chemistry Letters .

"Nosso trabalho é parte de um processo contínuo, esforço multiagência para proteger soldados e civis de agentes de guerra química (CWAs), "disse Anatoly Frenkel, um físico com uma nomeação conjunta no Brookhaven Lab e na Stony Brook University e o principal autor do artigo. "A pesquisa exige que entendamos as interações moleculares em uma escala muito pequena, e desenvolver métodos de caracterização especiais que sejam capazes de observar essas interações. É um conjunto muito complexo de problemas que também tem um impacto social muito imediato. "

Encontrando o melhor método de descontaminação

Como os CWAs foram usados ​​pela primeira vez na Primeira Guerra Mundial, os cientistas têm testado vários métodos para mitigar seus efeitos tóxicos. Um dos métodos mais comuns é a filtração - usando um material absorvente, como uma esponja, isso evitaria que os produtos químicos se propagassem.

"A utilidade do método de filtração é limitada, porque uma vez que um filtro atinge sua capacidade, precisa ser regenerado, removido, ou substituído, "Frenkel disse." Acreditamos que uma abordagem melhor seria decompor o CWA com um catalisador, tornando o produto químico inofensivo, enquanto reutiliza o catalisador posteriormente. "

Para mergulhar mais fundo nessa abordagem, a equipe de pesquisa se concentrou na descontaminação do sarin, um agente nervoso que evita que os músculos se contraiam e relaxem. Sarin inibe uma enzima importante no corpo que desempenha um papel crítico na transmissão de sinais neuronais para os músculos. Se esses sinais estiverem comprometidos, os músculos permanecem na forma contraída, que se torna fatal porque os músculos principais, como o coração, são incapazes de se mover.

"Nosso foco é desenvolver filtros de ar inteligentes que destruam o sarin antes mesmo que as moléculas atinjam um indivíduo, "disse o cientista da Virginia Tech, John Morris, quem montou a equipe de pesquisa. "Novos catalisadores que decompõem ativamente as toxinas no ar seriam usados ​​para proteger soldados e civis dos efeitos devastadores da guerra química."

Para tornar o método de decomposição eficaz, os pesquisadores precisavam identificar um catalisador que pudesse quebrar o sarin de forma eficiente, mas também aquele que tem longevidade - um catalisador que não seria inibido muito rapidamente ou criaria um produto de reação que bloquearia os locais ativos e tornaria o catalisador ineficaz.

Em estudos anteriores, os químicos identificaram um grupo de materiais chamados polioxometalatos (POMs) como um bom candidato para decompor agentes nervosos. Agora, Frenkel e sua equipe testaram um material único, preparado por membros da equipe da Emory University, que tem átomos de zircônio conectando duas moléculas de POM.

"Para identificar por que um catalisador funciona, você tem que encontrar seu site ativo, "Frenkel disse." Nossa hipótese é que os átomos de zircônio isolados eram os sítios ativos para este catalisador. Para testar essa teoria, analisamos o material não apenas por um método, mas por muitas técnicas de caracterização - uma abordagem multimodal que nos permitiu isolar as moléculas ativas das que não mudam durante a reação. "

Adicionalmente, seus experimentos foram conduzidos nas condições da vida real em que o sarin seria encontrado - a fase gasosa. Pesquisas anteriores sobre catalisadores POM para descontaminação CWA foram conduzidas apenas na fase líquida.

Todos os experimentos foram conduzidos usando um simulador de gás sarin inofensivo. "É importante reconhecer que materiais perigosos, como gases nervosos, não podem ser facilmente estudados em instalações de pesquisa convencionais, como Brookhaven Lab, "Frenkel disse." Então, no campo da pesquisa de descontaminação CWA, os cientistas não trabalham com agentes nervosos reais, mas com simuladores que imitam sua atividade sem causar danos. "

Para confirmar que seu simulador se comportou da mesma maneira que sarin, os experimentos da equipe de pesquisa foram repetidos com sarin real pelo CCDC Chemical Biological Center (CBC) do Exército dos EUA em Aberdeen Proving Ground.

"Acoplar nossas medições com a capacidade de realizar testes de agentes em condições ambientais idênticas nos permitiu validar o trabalho do simulador e compreender totalmente como o POM adsorve e reage com agentes de guerra química, "disse Wesley Gordon, um co-autor do artigo.

Estudando o catalisador de uma abordagem multimodal

Para o primeiro estudo em Brookhaven, os pesquisadores conduziram a espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) - uma técnica de pesquisa que usa raios-X ultrabright para medir a composição elementar de uma amostra.

"XPS é uma técnica sensível à energia cinética de um fotoelétron que é expelido de um material quando atingido por raios-x ultrabright, "disse Frenkel." Usando esta técnica, observamos uma mudança no estado de carga do átomo de zircônio na molécula, o que nos diz que é o zircônio no catalisador que reage com o agente nervoso. "

De lá, a equipe comparou dados de várias técnicas adicionais, que foram concluídas na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II de Brookhaven (NSLS-II) e na Fonte de Luz de Radiação Síncrotron de Stanford (SSRL) do SLAC National Accelerator Laboratory - duas instalações do DOE Office of Science User.

"No NSLS-II, usamos uma técnica chamada difração de raios-X in situ para revelar a ordenação ou desordem de longo alcance nas estruturas atômicas, "disse Sanjit Ghose, cientista da linha de luz da linha de luz de difração de pó de raios-X (XPD) do NSLS-II, onde a pesquisa foi realizada. "A comparação dos padrões de difração mostrou claramente o desordenamento da rede cristalina de zircônio-POM com a adsorção das moléculas do simulador."

No SSRL, uma técnica chamada espectroscopia de estrutura fina de absorção de raios-X foi usada para identificar mudanças no ambiente atômico local em torno do zircônio em diferentes estágios da reação química.

A teoria completa o quebra-cabeça

Depois de correlacionar os resultados de seu conjunto de técnicas experimentais, os cientistas descobriram algo surpreendente.

"Usualmente, um catalisador é uma estrutura rígida que permanece estável, "Frenkel disse." Inicialmente, esse catalisador era um dímero - duas grandes moléculas conectadas por duas ligações em ponte. Parecia uma bicicleta com duas rodas e um quadro conectando-as. O que entendemos depois de olhar para o catalisador com todas essas técnicas é que a bicicleta se partiu em duas 'rodas' e o 'quadro' foi cortado. "

Usando modelos de computador do catalisador, os químicos computacionais da equipe da Virginia Tech e da Emory University determinaram que as mudanças estruturais expuseram os átomos de zircônio ao sarin, e as interações sarin-zircônio foram consideradas responsáveis ​​pela decomposição do agente nervoso.

"O processo de quebrar o dímero foi equivalente a ativar o catalisador, "Frenkel disse.

Na próxima etapa da pesquisa, a equipe desenvolverá seus resultados para projetar e otimizar catalisadores com locais isolados de zircônio, com base em outros materiais porosos que têm atividade aprimorada para decompor CWAs.