Alors que la vie de millions de personnes dans le monde a été perturbée par les mesures de distanciation sociale pour lutter contre la pandémie de COVID-19 au début de 2020, une bonne nouvelle inattendue a fait surface :les niveaux de pollution de l'air dans les grandes villes avaient baissé jusqu'à 50 % en raison de la réduction mondiale des déplacements, fabrication, et chantier. Les effets les plus dramatiques ont été observés en Inde, abrite 14 des 20 villes les plus polluées de la planète, où les gens ont posté des photos sur les réseaux sociaux montrant un ciel bleu et un air pur pour la première fois de mémoire récente.

Le sursis temporaire était un rappel brutal que le moteur de la société moderne fonctionne sur la combustion de combustibles fossiles, qui libère un mélange nocif de produits chimiques dans l'air, y compris du monoxyde de carbone toxique, les COV (composés organiques volatils) comme le formaldéhyde qui peuvent causer le cancer, et les oxydes d'azote qui réagissent avec les COV pour créer de l'ozone, ce qui provoque des problèmes respiratoires et même une mort prématurée. L'Organisation mondiale de la santé estime que sept millions de personnes sont tuées chaque année à cause de la pollution de l'air, et Greenpeace Asie du Sud-Est a rapporté que l'air pollué coûte chaque année des milliers de milliards de dollars en soins médicaux.

Le problème de l'air sale n'est pas nouveau :même la combustion du bois libère des produits chimiques toxiques qui peuvent causer des problèmes de santé lorsqu'ils sont inhalés. Mais l'explosion de la fabrication pendant la révolution industrielle a conduit à des niveaux sans précédent de pollution de l'air qui se sont poursuivis en grande partie sans contrôle au début du 20e siècle, exacerbée par l'adoption généralisée des voitures à essence. Il n'y avait aucun moyen efficace d'éliminer les polluants des gaz d'échappement jusqu'aux années 1950, lorsque l'ingénieur mécanicien Eugene Houdry a inventé le premier convertisseur catalytique pour lutter contre le smog noir qui étouffait Los Angeles et d'autres villes américaines.

Les convertisseurs catalytiques utilisent un catalyseur, généralement un métal coûteux comme le platine ou le palladium, accélérer les réactions chimiques entre l'oxygène et les polluants de l'air pour les convertir en sous-produits moins toxiques comme la vapeur d'eau, gaz carbonique, et de l'azote gazeux. Diriger les gaz d'échappement à travers un boîtier métallique revêtu du catalyseur permet d'en éliminer jusqu'à 98% des polluants, et les réglementations exigeant l'installation de convertisseurs catalytiques sur les voitures et les cheminées ont contribué à améliorer considérablement la qualité de l'air dans les villes du monde entier depuis les années 1970.

Malgré le succès des pots catalytiques à réduire la pollution émise par chaque voiture ou usine, l'augmentation spectaculaire du nombre de véhicules et de bâtiments industriels sur la planète au cours des 50 dernières années a provoqué une baisse globale de la qualité de l'air. Les recherches en chimie atmosphérique ont révélé que la composition des gaz d'échappement est plus complexe qu'on ne le pensait à l'origine, et plusieurs étages ont dû être ajoutés aux convertisseurs catalytiques pour éliminer différents polluants, augmentant leur coût. La rareté des métaux précieux utilisés pour catalyser les réactions les rend également plus chères - aujourd'hui, le platine coûte environ 785 $ l'once. Non seulement cette dépense limite l'installation de convertisseurs catalytiques aux grands fabricants avec des poches profondes, il dirige une entreprise criminelle florissante dans laquelle des voleurs volent les convertisseurs catalytiques des voitures et les vendent sur le marché noir pour les métaux qu'ils contiennent. Le remplacement d'un convertisseur catalytique peut facilement coûter plus de 1 $, 000, que de nombreuses personnes dans les pays à faible revenu ne peuvent tout simplement pas se permettre, ils continuent donc à conduire des véhicules crachant de la pollution non filtrée.

Petites structures, gros impact

Toute solution à ce problème à multiples facettes doit trouver un équilibre délicat de réduction du coût des convertisseurs catalytiques sans compromettre leurs performances, et doit être suffisamment flexible pour éliminer plusieurs substances différentes des gaz d'échappement. Alors qu'il travaillait dans le laboratoire de Joanna Aizenberg, membre de la faculté Wyss Core, Tanya Shirman, ancienne chercheuse du Wyss Institute, doctorat et Elie Shirman, doctorat découvert que la nature a créé une telle solution il y a des millions d'années qui se cache depuis lors :les ailes de papillon.

Lorsqu'il est inspecté au microscope, la surface de l'aile d'un papillon se révèle être poreuse, architecture rigide qui confère à l'aile ses propriétés physiques uniques, y compris la couleur, résistance à l'eau, stabilité, et contrôle de la température. Les Shirman ont réalisé qu'ils pouvaient imiter cette architecture à l'échelle nanométrique pour créer un échafaudage personnalisable pour les catalyseurs qui leur permettrait de tout contrôler, de la composition, Taille, et le placement des nanoparticules catalytiques sur la forme et le motif de l'échafaudage.

« Les pots catalytiques ont aujourd'hui trois problèmes majeurs :ils sont chers à cause des métaux précieux, ils sont inefficaces car une grande partie du catalyseur n'entre jamais en contact avec l'air qu'il est censé nettoyer, et les catalyseurs ne fonctionnent que dans une plage de température spécifique, donc avant qu'une voiture ou une usine ne se réchauffe, " ils ne font que cracher de la pollution qui n'est pas nettoyée, " a déclaré Tanya Shirman, qui est maintenant vice-président de la conception matérielle chez Metalmark. "À l'heure actuelle, vous auriez besoin de développer des matériaux séparés pour résoudre les problèmes de coût, performance, et stabilité en température, mais notre technologie peut résoudre les trois problèmes à la fois."

L'équipe a créé un prototype dans lequel des nanoparticules du catalyseur sont placées à des points précis sur l'échafaudage colloïdal organique en nid d'abeille pour garantir que tout le catalyseur est exposé aux gaz d'échappement, minimiser les déchets et produire un nettoyage plus efficace. Il peut également fonctionner efficacement à des températures plus basses qu'un convertisseur catalytique typique, réduisant à la fois la pollution dégagée par les moteurs "froids" et la consommation d'énergie. Surtout, le système est conçu pour s'intégrer de manière transparente dans le processus de production de pots catalytiques existant. Parce que 70-90% du coût de fabrication provient de l'achat du métal catalyseur, un simple passage à la conception des Shirman pourrait permettre la production de convertisseurs catalytiques beaucoup moins chers, rendant la purification de l'air plus abordable et causant, espérons-le, moins de vols.

De la paillasse à la centrale électrique

Les Shirman ont commencé à tester leur idée en laboratoire en 2016, et ont pu montrer que leur système produisait un catalyseur très actif et stable. Mais leur échantillon ne mesurait qu'environ 50 milligrammes (environ 1/100e de cuillère à café), et ils savaient qu'ils devraient le tester à plus grande échelle pour prouver qu'il pouvait fonctionner sur de vrais convertisseurs catalytiques. Ils ont soumis leur projet au Harvard President's Innovation Challenge en 2017 et ont remporté la deuxième place, ce qui leur a donné l'assurance qu'il avait le potentiel de réussir tant sur le plan commercial que technique. Cette même année, ils ont postulé et ont été acceptés en tant que projet de validation au Wyss Institute, et a passé les deux années suivantes à travailler sur l'optimisation et la mise à l'échelle de leur technologie.

Le mois dernier, l'équipe a depuis fait un autre pas de géant vers son objectif de faire de l'air plus pur une réalité en créant une start-up, Marque de métal. Leur prototype le plus récent a été récemment validé par un Laboratoire National spécialisé et est actuellement testé par un partenaire industriel.

« La plupart des nouveaux matériaux développés dans les laboratoires universitaires ne parviennent jamais sur le marché car ils fonctionnent très bien à petite échelle, mais les fabriquer en série tout en préservant leur fonction est très difficile et coûteux. Nous avons commencé ce projet à partir de zéro, à partir d'une idée, et en quelques années, c'est presque au point où il peut fonctionner dans une centrale électrique géante pour purifier de grandes quantités d'air, " dit Elijah Shirman, qui est maintenant vice-président de la technologie chez Metalmark.

En plus des grandes centrales électriques et des voitures, l'équipe a pour objectif d'appliquer sa technologie à la purification de l'air intérieur pour les maisons, des bureaux, et autres bâtiments. L'air intérieur présente son propre ensemble de défis :les types et les quantités de polluants varient considérablement d'un bâtiment à l'autre, et il faudrait une grande quantité d'énergie pour chauffer l'air à une température où les catalyseurs actuels peuvent fonctionner, puis refroidissez-le à un niveau confortable. Mais les Shirman pensent qu'avec quelques ajustements techniques supplémentaires, leur technologie pourrait y arriver.

« Cette plateforme est extrêmement flexible, et nous permet de traiter rapidement les problèmes spécifiques qui pourraient survenir concernant la purification de l'air. Par exemple, il pourrait être équipé de propriétés antivirales pour filtrer les particules virales de l'air, qui contribuerait à réduire les infections en milieu hospitalier et pourrait être déployé lors de futures pandémies pour aider à sauver des vies, ", a déclaré Tanya Shirman.