Como a vida de milhões de pessoas em todo o mundo foi perturbada por medidas de distanciamento social para combater a pandemia COVID-19 no início de 2020, uma boa notícia inesperada veio à tona:os níveis de poluição do ar nas principais cidades caíram até 50% devido à redução global de viagens, fabricação, e construção. Os efeitos mais dramáticos foram vistos na Índia, lar de 14 das 20 cidades mais poluídas do planeta, onde as pessoas postaram fotos nas redes sociais mostrando o céu azul e o ar puro pela primeira vez na memória recente.

O adiamento temporário foi um lembrete gritante de que o motor da sociedade moderna funciona com a combustão de combustíveis fósseis, que libera uma mistura nociva de produtos químicos no ar, incluindo gás monóxido de carbono venenoso, VOCs (compostos orgânicos voláteis) como o formaldeído que podem causar câncer, e óxidos de nitrogênio que reagem com VOCs para criar ozônio, o que causa problemas respiratórios e até morte prematura. A Organização Mundial da Saúde estima que sete milhões de pessoas morrem todos os anos devido à poluição do ar, e o Greenpeace no Sudeste Asiático relatou que o ar poluído custa ao mundo trilhões de dólares em cuidados médicos anualmente.

O problema do ar sujo não é novo:mesmo a queima de madeira libera produtos químicos tóxicos que podem causar problemas de saúde quando inalados. Mas a explosão da manufatura durante a Revolução Industrial levou a níveis sem precedentes de poluição do ar que continuaram sem controle durante o início do século 20, exacerbado pela adoção generalizada de carros a gasolina. Não havia maneiras eficazes de remover poluentes dos gases de escapamento até a década de 1950, quando o engenheiro mecânico Eugene Houdry inventou o primeiro conversor catalítico para lidar com a poluição negra que sufocava Los Angeles e outras cidades americanas.

Os conversores catalíticos usam um catalisador, geralmente um metal caro como platina ou paládio, para acelerar as reações químicas entre o oxigênio e os poluentes no ar para convertê-los em subprodutos menos tóxicos como o vapor de água, dióxido de carbono, e gás nitrogênio. Direcionar os gases de escape através de um invólucro de metal revestido com o catalisador pode remover até 98% dos poluentes deles, e os regulamentos que exigem a instalação de conversores catalíticos em carros e chaminés têm ajudado a melhorar drasticamente a qualidade do ar em cidades ao redor do mundo desde a década de 1970.

Apesar do sucesso dos conversores catalíticos na redução da poluição liberada por cada carro ou fábrica, o aumento dramático no número de veículos e edifícios industriais no planeta nos últimos 50 anos causou um declínio geral na qualidade do ar. A pesquisa em química atmosférica revelou que a composição do escapamento é mais complexa do que se pensava originalmente, e vários estágios tiveram que ser adicionados aos conversores catalíticos para remover diferentes poluentes, aumentando seu custo. Também tornando-os mais caros é a escassez de metais preciosos usados ​​para catalisar as reações - hoje, a platina custa cerca de US $ 785 a onça. Essa despesa não limita apenas a instalação de conversores catalíticos para grandes fabricantes com bolsas profundas, ele impulsiona um próspero negócio do crime no qual ladrões roubam os conversores catalíticos dos carros e os vendem no mercado negro pelos metais que contêm. Substituir um conversor catalítico pode facilmente custar mais de US $ 1, 000, que muitas pessoas em países de baixa renda simplesmente não podem pagar, assim, eles continuam a dirigir veículos que expelem poluição não filtrada.

Estruturas minúsculas, grande impacto

Qualquer solução para este problema multifacetado deve encontrar um equilíbrio complicado de reduzir o custo dos conversores catalíticos sem comprometer seu desempenho, e precisa ser flexível o suficiente para remover várias substâncias diferentes do escapamento. Enquanto trabalhava no laboratório de Joanna Aizenberg, membro do corpo docente do Wyss, Tanya Shirman, ex-pesquisadores do Wyss Institute, Ph.D. e Elijah Shirman, Ph.D. descobriu que a natureza criou exatamente essa solução há milhões de anos que está escondida à vista de todos desde então:asas de borboleta.

Quando inspecionado em um microscópio, a superfície da asa de uma borboleta revela ter uma superfície porosa, arquitetura rígida que dá à asa suas propriedades físicas únicas, incluindo cor, resistência à água, estabilidade, e controle de temperatura. Os Shirmans perceberam que poderiam imitar essa arquitetura em nanoescala para criar uma estrutura personalizável para catalisadores que lhes permitiria controlar tudo, desde a composição, Tamanho, e colocação das nanopartículas catalíticas na forma e padrão do andaime.

"Os conversores catalíticos hoje têm três problemas principais:eles são caros por causa dos metais preciosos, eles são ineficientes porque muito do catalisador nunca entra em contato com o ar que deveria limpar, e os catalisadores funcionam apenas dentro de uma faixa de temperatura específica, então, antes que um carro ou uma fábrica se aqueça, "eles estão apenas vomitando poluição que não é limpa, "disse Tanya Shirman, que agora é vice-presidente de design de materiais da Metalmark. "Agora mesmo, você precisaria desenvolver materiais separados para resolver os problemas de custo, atuação, e estabilidade de temperatura, mas nossa tecnologia pode resolver todos os três problemas de uma vez. "

A equipe criou um protótipo no qual nanopartículas do catalisador são colocadas em pontos precisos no andaime colóide orgânico semelhante a um favo de mel para garantir que todo o catalisador seja exposto ao escapamento, minimizando o desperdício e produzindo uma limpeza mais eficiente. Ele também pode operar efetivamente em temperaturas mais baixas do que um conversor catalítico típico, reduzindo a poluição liberada pelos motores "frios" e o consumo de energia. Mais importante, o sistema é projetado para se integrar perfeitamente ao processo de produção do conversor catalítico existente. Como 70-90% do custo de fabricação vem da compra do metal catalisador, uma simples mudança no design dos Shirmans poderia permitir a produção de conversores catalíticos muito mais baratos, tornando a purificação do ar mais acessível e, com sorte, causando menos roubos.

Da bancada do laboratório à usina

Os Shirmans começaram a testar sua ideia no laboratório em 2016, e foram capazes de mostrar que seu sistema produziu um catalisador muito ativo e estável. Mas a amostra deles tinha apenas cerca de 50 miligramas de tamanho (cerca de 1/100 de uma colher de chá), e eles sabiam que teriam que testá-lo em uma escala maior para provar que poderia funcionar em conversores catalíticos reais. Eles enviaram seu projeto para o Desafio de Inovação do Presidente de Harvard em 2017 e ganharam o segundo lugar, o que lhes deu a confiança de que tinha potencial para ter sucesso comercial e técnico. Nesse mesmo ano, eles se inscreveram e foram aceitos como um Projeto de Validação no Wyss Institute, e passou os dois anos seguintes trabalhando na otimização e expansão de sua tecnologia.

No mês passado, a equipe deu mais um salto gigante em direção ao objetivo de tornar um ar mais limpo uma realidade com a criação de uma empresa iniciante, Metalmark. Seu protótipo mais recente foi recentemente validado por um Laboratório Nacional especializado e agora está sendo testado por um parceiro industrial.

"A maioria dos novos materiais desenvolvidos em laboratórios acadêmicos nunca chegam ao mercado porque funcionam muito bem em pequena escala, mas fabricá-los em massa preservando sua função é muito difícil e caro. Começamos este projeto do zero, de uma ideia, e em apenas alguns anos está quase no ponto em que pode funcionar em uma usina gigante para purificar grandes quantidades de ar, "disse Elijah Shirman, que agora é VP de Tecnologia da Metalmark.

Além de grandes usinas e carros, a equipe está focada na aplicação de sua tecnologia para purificação de ar interno para residências, escritórios, e outros edifícios. O ar interior oferece seu próprio conjunto único de desafios:os tipos e quantidades de poluentes variam dramaticamente de prédio para prédio, e seria necessária uma grande quantidade de energia para aquecer o ar a uma temperatura em que os catalisadores atuais possam funcionar, em seguida, resfrie-o de volta a um nível confortável. Mas os Shirmans acreditam que, com mais alguns ajustes de engenharia, sua tecnologia poderia chegar lá.

"Esta plataforma é extremamente flexível, e nos permite resolver rapidamente problemas específicos que possam surgir em relação à purificação do ar. Por exemplo, poderia ser equipado com propriedades antivirais para filtrar partículas de vírus do ar, que ajudaria a reduzir infecções em ambientes hospitalares e poderia ser implantado durante futuras pandemias para ajudar a salvar vidas, "disse Tanya Shirman.