Shaama Sharada chama o dióxido de carbono - o pior agressor do aquecimento global - um muito estável, "molécula muito feliz."

Ela pretende mudar isso.

Recentemente publicado no Journal of Physical Chemistry A , Sharada e uma equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia Viterbi da USC buscam quebrar o CO ₂ separadamente e converter o gás de efeito estufa em materiais úteis como combustíveis ou produtos de consumo que variam de produtos farmacêuticos a polímeros.

Tipicamente, este processo requer uma enorme quantidade de energia. Contudo, no primeiro estudo computacional desse tipo, Sharada e sua equipe recrutaram um aliado mais sustentável:o sol.

Especificamente, eles demonstraram que a luz ultravioleta (UV) pode ser muito eficaz em excitar uma molécula orgânica, oligofenileno. Após a exposição a UV, oligofenileno torna-se um ânion "carregado negativamente, "transferindo prontamente elétrons para a molécula mais próxima, como CO ₂ - fazendo assim o CO ₂ reativo e capaz de ser reduzido e convertido em coisas como plásticos, drogas ou mesmo móveis.

"CO ₂ é notoriamente difícil de reduzir, é por isso que vive há décadas na atmosfera, "Disse Sharada." Mas este ânion carregado negativamente é capaz de reduzir até mesmo algo tão estável como o CO ₂ , é por isso que é promissor e por que estamos estudando isso. "

O rápido crescimento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera terrestre é uma das questões mais urgentes que a humanidade deve enfrentar para evitar uma catástrofe climática.

Desde o início da era industrial, humanos aumentaram o CO atmosférico ₂ em 45%, através da queima de combustíveis fósseis e outras emissões. Como resultado, as temperaturas globais médias estão agora dois graus Celsius mais altas do que na era pré-industrial. Graças a gases de efeito estufa como CO ₂ , o calor do sol permanece preso em nossa atmosfera, aquecendo nosso planeta.

A equipe de pesquisa do Departamento de Engenharia Química e Ciência dos Materiais da Família Mork foi liderada pelo Ph.D. do terceiro ano. estudante Kareesa Kron, supervisionado por Sharada, um professor assistente WISE Gabilan. O trabalho foi co-autoria de Samantha J. Gomez da Francisco Bravo Medical Magnet High School, que fez parte do Programa de Jovens Pesquisadores da USC, permitindo que alunos do ensino médio de áreas sub-representadas participem de pesquisas STEM.

Muitas equipes de pesquisa estão procurando métodos para converter CO ₂ que foi capturado de emissões em combustíveis ou matérias-primas baseadas em carbono para produtos de consumo que variam de produtos farmacêuticos a polímeros.

O processo tradicionalmente usa calor ou eletricidade junto com um catalisador para acelerar o CO ₂ conversão em produtos. Contudo, muitos desses métodos costumam consumir muita energia, o que não é ideal para um processo que visa reduzir os impactos ambientais. Usar a luz do sol para excitar a molécula do catalisador é atraente porque é energeticamente eficiente e sustentável.

"A maioria das outras maneiras de fazer isso envolve o uso de produtos químicos à base de metal, e esses metais são metais de terras raras, "disse Sharada." Eles podem ser caros, eles são difíceis de encontrar e podem ser potencialmente tóxicos. "

Sharada disse que a alternativa é usar catalisadores orgânicos à base de carbono para realizar essa conversão assistida por luz. Contudo, este método apresenta desafios próprios, que a equipe de pesquisa pretende abordar. A equipe usa simulações de química quântica para entender como os elétrons se movem entre o catalisador e o CO ₂ para identificar os catalisadores mais viáveis ​​para esta reação.

Sharada disse que o trabalho foi o primeiro estudo computacional desse tipo, em que os pesquisadores não haviam examinado anteriormente o mecanismo subjacente de mover um elétron de uma molécula orgânica como o oligofenileno para o CO ₂ . A equipe descobriu que pode realizar modificações sistemáticas no catalisador de oligofenileno, adicionando grupos de átomos que conferem propriedades específicas quando ligados a moléculas, que tendem a empurrar os elétrons para o centro do catalisador, para acelerar a reação.

Apesar dos desafios, Sharada está animada com as oportunidades para sua equipe.

"Um desses desafios é que, sim, eles podem aproveitar a radiação, mas muito pouco está na região visível, onde você pode iluminar para que a reação ocorra, "disse Sharada." Normalmente, você precisa de uma lâmpada ultravioleta para fazer isso acontecer. "

Sharada disse que a equipe agora está explorando estratégias de projeto de catalisador que não só levam a altas taxas de reação, mas também permitem que a molécula seja excitada pela luz visível, usando química quântica e algoritmos genéticos.

O artigo de pesquisa marca a primeira publicação em coautoria do estudante Gomez em um prestigioso periódico revisado por pares.

Gomez estava no último ano da escola Bravo Medical Magnet na época em que ela participou do Programa de Jovens Pesquisadores da USC durante o verão, trabalhando no laboratório de Sharada. Ela foi diretamente orientada e treinada em teoria e simulações por Kron. Sharada disse que as contribuições de Gomez foram tão impressionantes que a equipe concordou que ela merecia uma autoria no jornal.

Gomez disse que gostou da oportunidade de trabalhar em pesquisas importantes que contribuem para a sustentabilidade ambiental. Ela disse que sua função envolvia a realização de pesquisas computacionais, calcular quais estruturas foram capazes de reduzir significativamente o CO ₂ .

"Tradicionalmente, é mostrado que a pesquisa vem de laboratórios onde você tem que usar jalecos e trabalhar com produtos químicos perigosos, "Gomez disse." Eu gostava de saber que todos os dias estava sempre aprendendo coisas novas sobre pesquisa que eu não sabia que poderiam ser feitas simplesmente por meio de programas de computador. "

"A experiência de primeira mão que ganhei foi simplesmente a melhor que poderia ter pedido, uma vez que me permitiu explorar meu interesse no campo da engenharia química e ver como há muitas maneiras de realizar pesquisas que salvam vidas, "Gomez disse.