Emisyonlar Güneş Işığıyla Faydalı Malzemelere Dönüştürülebilirler mi?
Shaama Sharada küresel ısınmanın en büyük suçlusu olan karbondioksiti, çok kararlı, “çok mutlu bir molekül” olarak tanımlıyor ve bunu değiştirmeyi hedefliyor.
Yakın zamanda Journal of Physical Chemistry A’de yayınlanan Sharada ve USC Viterbi School of Engineering’den araştırmacılardan oluşan bir ekip karbondioksiti parçalamaya ve sera gazını, yakıtlar ve farmasötiklerden polimerlere kadar uzanan tüketici ürünleri gibi faydalı malzemelere dönüştürmeye çalışıyorlar.
Genellikle, bu işlem oldukça yüksek miktarlarda enerji gerektirir. Ancak, türünün ilk bilgisayar tabanlı çalışmasında, Sharada ve ekibi işlemin daha sürdürülebilir bir yolunu sundu: Güneş.
Araştırmalarında özellikle, ultraviyole (UV) ışığın organik bir molekül olan oligofenileni uyarmada çok etkili olabileceğini gösterdiler. UV’ye maruz kaldığında, oligofenilen negatif yüklü bir anyon haline geliyor ve elektronları en yakın molekül olan CO2’ye kolayca aktarıyor, böylece CO2‘yi reaktif hale getiriyor ve molekülün indirgenmesine olanak sağlıyor; bu sayede plastik, ilaç ve hatta mobilya gibi şeylere dönüştürülebiliyor.
Sharada, “CO2’nin indirgenmesi oldukça zordur, bu yüzden atmosferde onlarca yıl varlığını sürdürür. Ancak bu negatif yüklü anyon, CO2 kadar kararlı bir molekülü bile indirgeyebilir, bu yüzden umut vadediyor ve bizler bu yüzden üzerinde çalışıyoruz.” diyor.
Dünya atmosferinde hızla artan karbondioksit konsantrasyonu, bir iklim felaketinden kaçınmak için insanlığın ele alması gereken en acil sorunlardan biridir.
Sanayi çağının başlangıcından bu yana insanlar, fosil yakıt yakımı ve diğer emisyonlarla atmosferik CO2’yi %45 oranla arttırdılar. Bunun sonucu olarak, ortalama küresel sıcaklıklar artık sanayi öncesi döneme göre iki derece daha sıcak. CO2 gibi sera gazları sayesinde güneşten gelen ısı atmosferimizde hapsolup gezegenimizi ısıtıyor.
Mork Family Kimya Mühendisliği ve Malzeme Bilimi Bölümü’nden araştırma ekibi, Bir WISE Gabilan Doçenti olan Sharada’nın danışmanlığında üçüncü yılında olan doktora öğrencisi Kareesa Kron tarafından yönetildi. Çalışma, USC Genç Araştırmacılar Programı’nın bir parçası olan Francisco Bravo Medical Magnet Lisesi’nden Samantha J. Gomez ortaklığında yazıldı ve yeterince fırsat verilmeyen bölgelerden lise öğrencilerinin STEM araştırmalarına katılmalarına olanak sağlandı.
Birçok araştırma ekibi, karbondioksiti parçalamak ve sera gazını, yakıtlar ve farmasötiklerden polimerlere kadar uzanan tüketici ürünleri gibi faydalı malzemelere dönüştürmek için yöntemler geliştirme üzerine çalışıyor.
Emisyonlardan elde edilen CO2‘yi yakıtlara ya da karbon bazlı hammaddelere dönüştürme işleminde, CO2’nin ürünlere dönüşümünü hızlandırmak için ısı ya da elektriğin yanı sıra bir katalizör de kullanılır. Ancak, bu yöntemlerin çoğu genellikle oldukça yüksek miktarlarda enerji gerektirir ve bu, çevresel etkileri azaltmayı amaçlayan bir süreç için ideal değildir. Katalizör molekülünü harekete geçirmek için kullanılan güneş ışığı ise enerji bakımından verimli ve sürdürülebilirdir.
Sharada, “Bunu yapmanın diğer birçok yolu, metal bazlı kimyasallar kullanmayı gerektiriyor ve bu metaller nadir toprak metalleridir. Pahalı olabiliyorlar, bulmaları zor ve potansiyel olarak toksik olabilirler.” diyor.
Sharada, alternatifin bu ışık destekli dönüşümü gerçekleştirmek için karbon bazlı organik katalizörler kullanmak olduğunu söyledi. Ancak bu yöntemin, araştırma ekibinin ele almayı hedeflediği kendi zorlukları var. Ekip, bu reaksiyon için en uygun katalizörleri belirlemek üzere elektronların katalizör ile CO2 arasında nasıl hareket ettiğini anlamak için kuantum kimyası simülasyonları kullanıyor.
Sharada, çalışmanın türünün ilk bilgisayar tabanlı çalışması olduğunu, çünkü araştırmacıların daha önce bir elektronun oligofenilen gibi organik bir molekülden CO2‘ye taşınmasının altında yatan mekanizmayı incelememiş olduğunu söylüyor. Ekip, reaksiyonu hızlandırmak için elektronları katalizörün merkezine doğru itme eğiliminde olan, moleküllere bağlandıklarında onlara belirli özellikler veren atom grupları ekleyerek oligofenilen katalizöründe sistematik modifikasyonlar gerçekleştirebileceklerini keşfetti.
Sharada, zorluklara rağmen ekibi için fırsatlar konusunda heyecanlı.
Sharada, “Bu zorluklardan biri, evet, radyasyonu kullanabilmeleri, ancak çok azı reaksiyonun gerçekleşmesi için üzerine ışık tutabileceğiniz görünür bölgede. Genellikle bunun gerçekleşmesi için bir UV lambasına ihtiyacınız vardır.” diyor.
Sharada, ekibin şu anda hem kuantum kimyası hem de genetik algoritmaları kullanarak yalnızca yüksek reaksiyon hızlarına yol açmakla kalmayıp, aynı zamanda molekülün görünür ışıkla uyarılmasına izin veren katalizör tasarım stratejilerini araştırdığını söylüyor.
Gomez, Sharada’nın laboratuvarında çalışarak yaz boyunca USC Genç Araştırmacılar Programı’na katıldığı sırada Bravo Medical Magnet okulunda son sınıf öğrencisiydi. Kron tarafından teori ve simülasyonlar konusunda doğrudan danışmanlık ve eğitim aldı. Sharada, Gomez’in katkılarının etkileyici olduğunu ve ekibin onun çalışmada yazar olmayı hak ettiğini kabul ettiğini söylüyor.
Gomez, çevresel sürdürülebilirliğe katkıda bulunan önemli araştırmalarda çalışma fırsatından keyif aldığını söyledi. Rolünün bilgisayar tabanlı araştırma yürütmek ve hangi yapıların CO2’yi önemli ölçüde indirgeyebildiğini hesaplamak olduğunu söyledi.
Gomez, “Geleneksel olarak bize, araştırmanın önlük giymeniz ve tehlikeli kimyasallarla çalışmanız gereken laboratuvarlardan geldiği gösteriliyor. Her gün, araştırmayla ilgili sadece bilgisayar programları aracılığıyla yapılabileceğini bilmediğim yeni şeyler öğrenmekten keyif aldım.” diyor.
Gomez, “İlk elden kazandığım deneyim, kimya mühendisliği alanına olan ilgimi keşfetmeme ve hayat kurtaran bir araştırmayı başarmanın birçok yolu olduğunu görmeme olanak sağladığı için, isteyebileceğim en iyi deneyimdi.” diyor.
Kaynak: sciencedaily.com
