Une équipe de scientifiques comprenant des chercheurs du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) a étudié un catalyseur qui décompose les agents neurotoxiques, éliminer leurs effets nocifs et mortels. La recherche a été publiée vendredi, 19 avril dans le Journal des lettres de chimie physique .

« Notre travail s'inscrit dans une démarche continue, effort multi-agences pour protéger les soldats et les civils contre les agents de guerre chimique (CWA), " a déclaré Anatoly Frenkel, un physicien avec une nomination conjointe au Brookhaven Lab et à l'Université Stony Brook et l'auteur principal de l'article. "La recherche nous oblige à comprendre les interactions moléculaires à très petite échelle, et développer des méthodes de caractérisation spéciales capables d'observer ces interactions. Il s'agit d'un ensemble de problèmes très complexes qui ont également un impact sociétal très immédiat."

Trouver la meilleure méthode de décontamination

Depuis que les CWA ont été utilisés pour la première fois pendant la Première Guerre mondiale, les scientifiques ont testé plusieurs méthodes pour atténuer leurs effets toxiques. L'une des méthodes les plus courantes est la filtration, à l'aide d'un matériau absorbant, comme une éponge, cela empêcherait les produits chimiques de se répandre.

"L'utilité de la méthode de filtration est limitée, car une fois qu'un filtre atteint sa capacité, il doit être régénéré, supprimé, ou remplacé, " a déclaré Frenkel. " Nous pensons qu'une meilleure approche serait de décomposer le CWA avec un catalyseur, rendre le produit chimique inoffensif, tout en réutilisant le catalyseur par la suite."

Pour approfondir cette approche, l'équipe de recherche s'est concentrée sur la décontamination du sarin, un agent neurotoxique qui empêche les muscles de se contracter et de se détendre. Le sarin inhibe une enzyme importante dans le corps qui joue un rôle essentiel dans la transmission des signaux neuronaux aux muscles. Si ces signaux sont compromis, les muscles restent sous la forme contractée, qui devient fatale en tant que muscles clés, comme le coeur, sont incapables de bouger.

"Notre objectif est de développer des filtres à air intelligents qui détruisent le sarin avant même que les molécules n'atteignent un individu, " a déclaré John Morris, scientifique de Virginia Tech, qui a constitué l'équipe de recherche. "De nouveaux catalyseurs qui décomposent activement les toxines dans l'air seraient utilisés pour protéger à la fois les soldats et les civils des effets dévastateurs de la guerre chimique."

Pour rendre la méthode de décomposition efficace, les chercheurs avaient besoin d'identifier un catalyseur capable de décomposer efficacement le sarin, mais aussi un qui a la longévité - un catalyseur qui ne serait pas inhibé trop rapidement ou qui créerait un produit de réaction qui bloquerait les sites actifs et rendrait le catalyseur inefficace.

Dans les études précédentes, les chimistes ont identifié un groupe de matériaux appelés polyoxométalates (POM) comme un bon candidat pour décomposer les agents neurotoxiques. Maintenant, Frenkel et son équipe ont testé un matériau unique, préparé par les membres de l'équipe de l'Université Emory, qui a des atomes de zirconium reliant deux molécules de POM ensemble.

"Pour identifier pourquoi un catalyseur fonctionne, il faut trouver son site actif, " a déclaré Frenkel. "Nous avons émis l'hypothèse que les atomes de zirconium isolés étaient les sites actifs de ce catalyseur. Pour tester cette théorie, nous avons analysé le matériel non seulement par une méthode, mais par de nombreuses techniques de caractérisation - une approche multimodale qui nous a permis d'isoler les molécules actives de celles qui ne changent pas au cours de la réaction."

En outre, leurs expériences ont été menées dans les conditions réelles dans lesquelles le sarin serait trouvé - la phase gazeuse. Les recherches précédentes sur les catalyseurs POM pour la décontamination des CWA n'avaient été menées qu'en phase liquide.

Toutes les expériences ont été menées à l'aide d'un simulant de gaz sarin inoffensif. "Il est important de reconnaître que les matières dangereuses comme les gaz neurotoxiques ne peuvent pas être facilement étudiées dans les installations de recherche conventionnelles, tels que Brookhaven Lab, " dit Frenkel. " Alors, dans le domaine de la recherche en décontamination CWA, les scientifiques ne travaillent pas avec de vrais agents neurotoxiques mais avec des simulateurs qui imitent leur activité sans causer de dommages. »

Pour confirmer que leur simulant s'est comporté de la même manière que le sarin, les expériences de l'équipe de recherche ont été répétées avec du sarin réel par le CCDC Chemical Biological Center (CBC) de l'armée américaine à Aberdeen Proving Ground.

« Le couplage de nos mesures avec la capacité d'effectuer des tests d'agents dans des conditions environnementales identiques nous a permis de valider le travail de simulation et de comprendre pleinement comment le POM adsorbe et réagit avec les agents de guerre chimique, " a déclaré Wesley Gordon, un co-auteur de l'article.

Étudier le catalyseur à partir d'une approche multimodale

Pour la première étude à Brookhaven, les chercheurs ont mené la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) - une technique de recherche qui utilise des rayons X ultra-brillants pour mesurer la composition élémentaire d'un échantillon.

"Le XPS est une technique sensible à l'énergie cinétique d'un photoélectron qui est expulsé d'un matériau lorsqu'il est touché par les rayons X ultra-brillants, " a déclaré Frenkel. " En utilisant cette technique, nous avons observé un changement de l'état de charge de l'atome de zirconium dans la molécule, ce qui nous dit que c'est le zirconium dans le catalyseur qui réagit avec l'agent neurotoxique."

De là, l'équipe a comparé les données de plusieurs techniques supplémentaires, qui ont été achevés à la source de lumière synchrotron nationale II de Brookhaven (NSLS-II) et à la source de lumière de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC National Accelerator Laboratory – deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.

« À NSLS-II, nous avons utilisé une technique appelée diffraction des rayons X in situ pour révéler l'ordre ou le désordre à longue distance dans les structures atomiques, " a déclaré Sanjit Ghose, scientifique de la ligne de lumière à la ligne de lumière de diffraction des rayons X (XPD) de la NSLS-II, où la recherche a été menée. "La comparaison des diagrammes de diffraction a clairement montré le désordre du réseau cristallin de zirconium-POM avec l'adsorption des molécules simulantes."

Chez SSRL, une technique appelée spectroscopie à structure fine d'absorption des rayons X a été utilisée pour identifier les changements dans l'environnement atomique local autour du zirconium à différentes étapes de la réaction chimique.

La théorie complète le puzzle

Après avoir corrélé les résultats de leur suite de techniques expérimentales, les scientifiques ont découvert quelque chose de surprenant.

"D'habitude, un catalyseur est une structure rigide qui reste stable, " a déclaré Frenkel. " Initialement, ce catalyseur était un dimère, deux grosses molécules reliées par deux ponts. Cela ressemblait à un vélo avec deux roues et un cadre les reliant. Ce que nous avons compris après avoir examiné le catalyseur avec toutes ces techniques, c'est que le vélo s'est cassé en deux "roues" et que le "cadre" a été coupé."

En utilisant des modèles informatiques du catalyseur, les chimistes informaticiens de l'équipe de Virginia Tech et de l'Université Emory ont déterminé que les changements structurels exposaient les atomes de zirconium au sarin, et les interactions sarin-zirconium se sont avérées responsables de la décomposition de l'agent neurotoxique.

"Le processus de rupture du dimère équivalait à activer le catalyseur, " a déclaré Frenkel.

A l'étape suivante de la recherche, l'équipe s'appuiera sur leurs résultats pour concevoir et optimiser des catalyseurs avec des sites de zirconium isolés, basé sur d'autres matériaux poreux qui ont une activité accrue pour décomposer les CWA.