Shaama Sharada qualifie le dioxyde de carbone, le pire contrevenant du réchauffement climatique, d'un "molécule très heureuse."

Elle vise à changer cela.

Récemment publié dans le Journal de chimie physique A , Sharada et une équipe de chercheurs de l'USC Viterbi School of Engineering cherchent à briser le CO 2 à part et convertir le gaz à effet de serre en matériaux utiles comme les carburants ou les produits de consommation allant des produits pharmaceutiques aux polymères.

Typiquement, ce processus nécessite une énorme quantité d'énergie. Cependant, dans la première étude informatique du genre, Sharada et son équipe ont fait appel à un allié plus durable :le soleil.

Spécifiquement, ils ont démontré que la lumière ultraviolette (UV) pouvait être très efficace pour exciter une molécule organique, oligophénylène. Lors de l'exposition aux UV, l'oligophénylène devient un "anion" chargé négativement, " transférant facilement des électrons à la molécule la plus proche, comme le CO 2 -faisant ainsi le CO 2 réactif et capable d'être réduit et converti en choses comme les plastiques, médicaments ou même des meubles.

"CO 2 est notoirement difficile à réduire, c'est pourquoi il vit pendant des décennies dans l'atmosphère, " a déclaré Sharada. "Mais cet anion chargé négativement est capable de réduire même quelque chose d'aussi stable que le CO 2 , c'est pourquoi c'est prometteur et pourquoi nous l'étudions."

La concentration croissante de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre est l'un des problèmes les plus urgents que l'humanité doit résoudre pour éviter une catastrophe climatique.

Depuis le début de l'ère industrielle, les humains ont augmenté le CO atmosphérique 2 de 45%, par la combustion de combustibles fossiles et d'autres émissions. Par conséquent, les températures mondiales moyennes sont maintenant supérieures de deux degrés Celsius à celles de l'ère préindustrielle. Grâce aux gaz à effet de serre comme le CO 2 , la chaleur du soleil reste piégée dans notre atmosphère, réchauffer notre planète.

L'équipe de recherche du département de génie chimique et de science des matériaux de la famille Mork était dirigée par un doctorat de troisième année. étudiante Kareesa Kron, supervisé par Sharada, un professeur assistant WISE Gabilan. Le travail a été co-écrit par Samantha J. Gomez de Francisco Bravo Medical Magnet High School, qui a fait partie du programme USC Young Researchers, permettre aux élèves du secondaire des régions sous-représentées de participer à la recherche STEM.

De nombreuses équipes de recherche étudient des méthodes pour convertir le CO 2 qui a été capturé à partir des émissions dans les carburants ou les matières premières à base de carbone pour les produits de consommation allant des produits pharmaceutiques aux polymères.

Le processus utilise traditionnellement de la chaleur ou de l'électricité avec un catalyseur pour accélérer le CO 2 transformation en produits. Cependant, bon nombre de ces méthodes sont souvent énergivores, ce qui n'est pas idéal pour une démarche visant à réduire les impacts environnementaux. L'utilisation de la lumière du soleil à la place pour exciter la molécule de catalyseur est attrayante car elle est économe en énergie et durable.

"La plupart des autres façons de le faire impliquent l'utilisation de produits chimiques à base de métaux, et ces métaux sont des métaux des terres rares, " a déclaré Sharada. " Ils peuvent être chers, ils sont difficiles à trouver et ils peuvent potentiellement être toxiques."

Sharada a déclaré que l'alternative consiste à utiliser des catalyseurs organiques à base de carbone pour effectuer cette conversion assistée par la lumière. Cependant, cette méthode présente ses propres défis, que l'équipe de recherche souhaite aborder. L'équipe utilise des simulations de chimie quantique pour comprendre comment les électrons se déplacent entre le catalyseur et le CO 2 identifier les catalyseurs les plus viables pour cette réaction.

Sharada a déclaré que le travail était la première étude informatique de ce genre, en ce que les chercheurs n'avaient pas examiné auparavant le mécanisme sous-jacent du déplacement d'un électron d'une molécule organique comme l'oligophénylène au CO 2 . L'équipe a découvert qu'elle peut effectuer des modifications systématiques du catalyseur oligophénylène, en ajoutant des groupes d'atomes qui confèrent des propriétés spécifiques lorsqu'ils sont liés à des molécules, qui ont tendance à pousser les électrons vers le centre du catalyseur, pour accélérer la réaction.

Malgré les défis, Sharada est enthousiasmée par les opportunités pour son équipe.

« L'un de ces défis est que, Oui, ils peuvent exploiter les radiations, mais très peu est dans la région visible, où vous pouvez l'éclairer pour que la réaction se produise, " dit Sharada. " Typiquement, vous avez besoin d'une lampe UV pour y arriver."

Sharada a déclaré que l'équipe explore actuellement des stratégies de conception de catalyseurs qui non seulement conduisent à des taux de réaction élevés, mais permettent également à la molécule d'être excitée par la lumière visible, utilisant à la fois la chimie quantique et les algorithmes génétiques.

Le document de recherche marque la première publication co-écrite d'un lycéen Gomez dans une prestigieuse revue à comité de lecture.

Gomez était senior à l'école Bravo Medical Magnet au moment où elle a participé au programme USC Young Researchers au cours de l'été, travaillant dans le laboratoire de Sharada. Elle a été directement encadrée et formée à la théorie et aux simulations par Kron. Sharada a déclaré que les contributions de Gomez étaient si impressionnantes que l'équipe a convenu qu'elle méritait la paternité de l'article.

Gomez a déclaré qu'elle avait apprécié l'opportunité de travailler sur des recherches importantes contribuant à la durabilité environnementale. Elle a dit que son rôle consistait à mener des recherches informatiques, calculer quelles structures ont été en mesure de réduire de manière significative le CO 2 .

"Traditionnellement, on nous montre que la recherche vient de laboratoires où vous devez porter des blouses de laboratoire et travailler avec des produits chimiques dangereux, " a déclaré Gomez. " J'ai apprécié le fait que chaque jour, j'apprenais toujours de nouvelles choses sur la recherche dont je ne savais pas qu'elles pouvaient être faites simplement par le biais de programmes informatiques. "

"L'expérience de première main que j'ai acquise était tout simplement la meilleure que j'aurais pu demander, car cela m'a permis d'explorer mon intérêt pour le domaine du génie chimique et de voir comment il existe de nombreuses façons de mener des recherches qui sauvent des vies, ", a déclaré Gomez.