Un equipo de científicos que incluye investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE ha estudiado un catalizador que descompone los agentes nerviosos, eliminando sus efectos nocivos y letales. La investigación se publicó el viernes 19 de abril en el Revista de Cartas de Química Física .
"Nuestro trabajo es parte de un esfuerzo continuo y de múltiples agencias para proteger a los soldados y civiles de los agentes de guerra química", dijo Anatoly Frenkel, físico con una cita conjunta en Brookhaven Lab y Stony Brook University y el autor principal del"La investigación requiere que comprendamos las interacciones moleculares a una escala muy pequeña y que desarrollemos métodos de caracterización especiales que sean capaces de observar esas interacciones. Es un conjunto muy complejo de problemas que también tiene un impacto social muy inmediato".
Encontrar el mejor método de descontaminación
Desde que los CWA se usaron por primera vez en la Primera Guerra Mundial, los científicos han estado probando múltiples métodos para mitigar sus efectos tóxicos. Uno de los métodos más comunes es la filtración, usando un material absorbente, como una esponja, que evitaría que los químicos se propaguen.
"La utilidad del método de filtración es limitada, porque una vez que un filtro alcanza su capacidad, necesita ser regenerado, eliminado o reemplazado", dijo Frenkel. "Creemos que un mejor enfoque sería descomponer el CWA con un catalizador", haciendo que el producto químico sea inofensivo, mientras se reutiliza el catalizador ".
Para profundizar en este enfoque, el equipo de investigación se centró en la descontaminación del sarín, un agente nervioso que evita que los músculos se contraigan y se relajen. El sarín inhibe una enzima importante en el cuerpo que juega un papel crítico en la transmisión de señales neuronales a los músculosSi esas señales se ven comprometidas, los músculos permanecen en la forma contraída, lo que se vuelve fatal ya que los músculos clave, como el corazón, no pueden moverse.
"Nuestro enfoque es desarrollar filtros de aire inteligentes que destruyan el sarín antes de que las moléculas lleguen a un individuo", dijo el científico de Virginia Tech, John Morris, quien reunió al equipo de investigación. "Nuevos catalizadores que descompongan activamente las toxinas en el aire serían utilizados paraproteger a los soldados y civiles de los efectos devastadores de la guerra química "
Para que el método de descomposición sea efectivo, los investigadores necesitaban identificar un catalizador que pudiera descomponer el sarín de manera eficiente, pero también uno que tenga longevidad, un catalizador que no se inhibiría demasiado rápido o crearía un producto de reacción que bloqueara los sitios activosy hace que el catalizador sea ineficaz.
En estudios anteriores, los químicos identificaron un grupo de materiales llamados polioxometalatos POM como un buen candidato para descomponer los agentes nerviosos. Ahora, Frenkel y su equipo han probado un material único, preparado por miembros del equipo de la Universidad de Emory, que tiene átomos de circonio.conectando dos moléculas POM juntas.
"Para identificar por qué funciona un catalizador, debe encontrar su sitio activo", dijo Frenkel. "Presumimos que los átomos de circonio aislados eran los sitios activos para este catalizador. Para probar esa teoría, analizamos el material no solo porun método, pero mediante muchas técnicas de caracterización: un enfoque multimodal que nos permitió aislar las moléculas activas de las que no cambian durante la reacción ".
Además, sus experimentos se llevaron a cabo en las condiciones de la vida real en las que se encontraría sarín: la fase gaseosa. La investigación previa sobre catalizadores POM para la descontaminación de CWA solo se había realizado en la fase líquida.
Todos los experimentos se llevaron a cabo utilizando un simulador inofensivo de gas sarín. "Es importante reconocer que los materiales peligrosos como los gases nerviosos no pueden estudiarse fácilmente en instalaciones de investigación convencionales, como Brookhaven Lab", dijo Frenkel. "Entonces, en el campode la investigación de descontaminación de CWA, los científicos no trabajan con agentes nerviosos reales sino con simuladores que imitan su actividad sin causar daño ".
Para confirmar que su simulador se comportó de la misma manera que el sarín, los experimentos del equipo de investigación fueron repetidos con sarín real por el CCDC Chemical Biological Center CBC del Ejército de EE. UU. En Aberdeen Proving Ground.
"La combinación de nuestras mediciones con la capacidad de realizar pruebas de agentes en condiciones ambientales idénticas nos permitió validar el trabajo simulado y comprender completamente cómo el POM se adsorbe y reacciona con los agentes de guerra química", dijo Wesley Gordon, coautor del artículo.
Estudiar el catalizador desde un enfoque multimodal
Para el primer estudio en Brookhaven, los investigadores realizaron la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X XPS, una técnica de investigación que utiliza rayos X ultrabrillantes para medir la composición elemental de una muestra.
"XPS es una técnica que es sensible a la energía cinética de un fotoelectrón que es expulsado de un material cuando es alcanzado por los rayos X ultrabrillantes", dijo Frenkel. "Al utilizar esta técnica, observamos un cambio en la cargaestado del átomo de circonio en la molécula, que nos dice que es el circonio en el catalizador que reacciona con el agente nervioso ".
A partir de ahí, el equipo comparó los datos de varias técnicas adicionales, que se completaron en la Fuente de luz de sincrotrón nacional II de Brookhaven NSLS-II y la Fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford del Laboratorio nacional de aceleración SLAC SSRL - dos instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
"En NSLS-II, utilizamos una técnica llamada difracción de rayos X in situ para revelar el orden o el desorden a largo plazo en las estructuras atómicas", dijo Sanjit Ghose, científico de la línea de rayos en la Difracción de polvo de rayos X de NSLS-II XPD línea de luz, donde se realizó la investigación. "La comparación de los patrones de difracción mostró claramente el desorden de la red cristalina de circonio-POM con la adsorción de las moléculas simulantes".
En SSRL, se usó una técnica llamada espectroscopía de estructura fina de absorción de rayos X para identificar cambios en el entorno atómico local alrededor del circonio en diferentes etapas de la reacción química.
La teoría completa el rompecabezas
Después de correlacionar los resultados de su conjunto de técnicas experimentales, los científicos descubrieron algo sorprendente.
"Por lo general, un catalizador es una estructura rígida que permanece estable", dijo Frenkel. "Inicialmente, este catalizador era un dímero: dos moléculas grandes conectadas por dos enlaces de enlace. Parecía una bicicleta con dos ruedas y un cuadro que conectabaLo que entendimos después de mirar el catalizador con todas estas técnicas es que la bicicleta se rompió en dos 'ruedas' y se cortó el 'cuadro' ".
Utilizando modelos informáticos del catalizador, los químicos computacionales del equipo en Virginia Tech y Emory University determinaron que los cambios estructurales expusieron los átomos de circonio al sarín, y se descubrió que las interacciones sarín-circonio eran responsables de la descomposición del agente nervioso.
"El proceso de romper el dímero fue equivalente a activar el catalizador", dijo Frenkel.
En la próxima etapa de investigación, el equipo se basará en sus resultados para diseñar y optimizar catalizadores con sitios de circonio aislados, basados en otros materiales porosos que tienen una actividad mejorada para descomponer los CWA.
Este estudio fue apoyado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., La Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., La Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa y la National Science Foundation. Las operaciones en NSLS-II y SSRL cuentan con el apoyo de la Oficina de Ciencia del DOE. Se brindó apoyo adicionalpor el programa de investigación y desarrollo dirigido por el laboratorio de Brookhaven.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :