Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería de Viterbi de la Universidad de South California liderado por Shaama Sharada está trabajando para descomoponer el CO2 -el principal gas responsable del calentamiento global, en materiales útiles como combustibles o productos de consumo que van desde medicamentos hasta polímeros para la industria de los plásticos.
Normalmente, este proceso requiere una enorme cantidad de energía. Sin embargo, en el primer estudio computacional de este tipo, Sharada y su equipo reclutaron el aliado más sostenible: el sol.
Específicamente, demostraron que la luz ultravioleta (UV) podría ser muy eficaz para excitar una molécula orgánica, el oligofenileno. Tras la exposición a los rayos UV, el oligofenileno se convierte en un «anión» cargado negativamente, que transfiere fácilmente electrones a la molécula más cercana, como el CO2, lo que hace que el CO2 se vuelva más reactivo y pueda reducirse y convertirse en cosas como plásticos, medicamentos o incluso muebles.
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«El CO2 es notoriamente difícil de reducir, por eso vive durante décadas en la atmósfera», dijo Sharada. «Pero este anión cargado negativamente es capaz de reducir incluso algo tan estable como el CO2, razón por la cual es prometedor y por qué lo estamos estudiando».
La concentración de dióxido de carbono en rápido crecimiento en la atmósfera terrestre es uno de los problemas más urgentes que la humanidad debe abordar para evitar una catástrofe climática.
Desde el comienzo de la era industrial, los seres humanos han sido responsables del aumento del contenido de CO2 atmosférico en un 45%, principalmente debido a la quema de combustibles fósiles. Como resultado, las temperaturas globales promedio son ahora dos grados Celsius más cálidas que en la era preindustrial. Gracias a los gases de efecto invernadero como el CO2 , el calor del sol queda atrapado en nuestra atmósfera, calentando nuestro planeta.
Muchos equipos de investigación están buscando métodos para convertir el CO2 que puede ser capturado de las chimeneas en combustibles o materias primas a base de carbono para productos de consumo que van desde productos farmacéuticos hasta polímeros.
El proceso utiliza tradicionalmente calor o electricidad junto con un catalizador para acelerar la conversión de CO2 en estos productos. Sin embargo, muchos de estos métodos suelen consumir mucha energía, lo que no es ideal para un proceso que tiene como objetivo reducir los impactos ambientales. En cambio, usar la luz solar para excitar la molécula catalizadora es atractivo porque es energéticamente eficiente y sostenible.
«La mayoría de las otras formas de hacer esto implican el uso de productos químicos a base de metales, y esos metales son de tierras raras», dijo Sharada. «Pueden ser costosos, difíciles de encontrar y potencialmente tóxicos».
Sharada dijo que la alternativa es utilizar catalizadores orgánicos a base de carbono para llevar a cabo esta conversión asistida por luz. Sin embargo, este método presenta desafíos propios, que el equipo de investigación pretende abordar. El equipo utiliza simulaciones de química cuántica para comprender cómo se mueven los electrones entre el catalizador y el CO2 para identificar los catalizadores más viables para esta reacción.
Sharada dijo que el trabajo fue el primer estudio computacional de este tipo, ya que los investigadores no habían examinado previamente el mecanismo subyacente de mover un electrón de una molécula orgánica como el oligofenileno al CO2. El equipo descubrió que pueden realizar modificaciones sistemáticas al catalizador de oligofenileno, agregando grupos de átomos que imparten propiedades específicas cuando se unen a moléculas, que tienden a empujar los electrones hacia el centro del catalizador, para acelerar la reacción.
A pesar de los desafíos, Sharada está entusiasmada con las oportunidades para su equipo.
«Uno de esos desafíos es que, sí, lograron aprovechar la radiación, pero muy poca de ella se encuentra en el espectro visible», dijo Sharada. «Por lo general, se necesita una lámpara UV para que esto suceda».
Sharada destacó que el equipo ahora está explorando estrategias de diseño de catalizadores que no solo conducen a altas velocidades de reacción, sino que también permiten que la molécula sea excitada por la luz visible, utilizando tanto la química cuántica como los algoritmos genéticos.
El artículo de investigación marca la primera publicación en coautoría de la estudiante de secundaria Gomez en una prestigiosa revista revisada por pares.
Gómez era estudiante de último año en la escuela Bravo Medical Magnet cuando participó en el Programa de Jóvenes Investigadores de la USC durante el verano, trabajando en el laboratorio de Sharada. Sharada dijo que las contribuciones de Gómez fueron tan impresionantes que el equipo estuvo de acuerdo en que ella se merecía la autoría del artículo.
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Gómez dijo que disfrutó de la oportunidad de trabajar en importantes investigaciones que contribuyen a la sustentabilidad ambiental. Dijo que su papel consistía en realizar una investigación computacional, calcular qué estructuras podían reducir significativamente el CO2 .
«Tradicionalmente, se nos muestra que la investigación proviene de laboratorios en los que hay que usar delantales y trabajar con productos químicos peligrosos», dijo Gómez. «Disfruté que todos los días siempre estaba aprendiendo cosas nuevas sobre la investigación que no sabía que se podían hacer simplemente a través de programas de computadora».
«La experiencia de primera mano que obtuve fue simplemente la mejor que podría haber pedido, ya que me permitió explorar mi interés en el campo de la ingeniería química y ver cómo hay muchas formas en que se pueden lograr investigaciones que salvan vidas», dijo Gómez.
