Katalysator macht Nervengifte harmlos

Ein team von Wissenschaftlern, darunter Forscher des US Department of Energy ‚ s (DOE) Brookhaven National Laboratory studiert hat, ein Katalysator, der zersetzt sich Nervengifte, die Beseitigung Ihrer schädlichen und tödlichen Auswirkungen. Die Forschung wurde veröffentlicht am Freitag, April 19, im Journal of Physical Chemistry Letters.

„Unsere Arbeit ist Teil eines Laufenden, von vielschichtigen Anstrengungen zum Schutz von Soldaten und Zivilisten aus Chemische Kampfstoffe (CWAs),“ sagte Anatoly Frenkel, ein Physiker, der eine gemeinsame Berufung an Brookhaven-Labor und der Stony Brook University und der führende Autor auf dem Papier. „Die Forschung verlangt von uns Verständnis von molekularen Interaktionen auf einem sehr kleinen Maßstab, und mit der Entwicklung spezieller Methoden für Ihre Charakterisierung, die in der Lage sind, die Beobachtung dieser Interaktionen. Es ist eine sehr komplexe Problematik, die hat auch eine sehr unmittelbare Gesellschaftliche Auswirkungen.“

Die Suche nach der besten Methode der Dekontamination

Da War zunächst vor dem ersten Weltkrieg haben die Wissenschaftler testen verschiedene Methoden der Verringerung Ihrer toxischen Wirkungen. Eine der gängigsten Methoden ist die filtration — mit einem saugfähigen material, wie ein Schwamm, der verhindert, dass Chemikalien verbreiten.

„Die Nützlichkeit der filtration-Methode ist beschränkt, denn sobald ein filter seine Kapazität erreicht, muss es regeneriert werden, entfernt oder ersetzt werden,“ Frenkel sagte. „Wir glauben, dass ein besserer Ansatz wäre, um zu zerlegen die CWA, die mit einem Katalysator, die Chemische harmlos, während die Wiederverwendung der Katalysator danach.“

Tiefer Tauchen in diesem Ansatz, die Forschungs-team konzentriert sich auf die Entgiftung von sarin, einen Nerv-agent, der verhindert, dass Muskeln von Anspannung und Entspannung. Sarin hemmt ein wichtiges Enzym im Körper, spielt eine wichtige Rolle bei der übertragung neuronaler Signale zu den Muskeln. Wenn diese Signale sind gefährdet, die Muskeln bleiben in der vertraglich vereinbarten form, das wird fatal, da wichtige Muskeln, wie das Herz, sind nicht in der Lage, sich zu bewegen.

„Unser Fokus ist die Entwicklung von smart air Filter, sarin zerstören, bevor die Moleküle erreichen sogar eine individuelle,“ sagte Virginia-Tech-Wissenschaftler John Morris, der versammelten Forschungs-team. „Neue Katalysatoren, die aktiv zersetzen Giftstoffe in der Luft verwendet werden, zum Schutz sowohl Soldaten und Zivilisten, die von den verheerenden Auswirkungen der chemischen Kriegsführung.“

Um die Zersetzung Methode wirksam ist, mussten die Forscher identifizieren ein Katalysator, der könnte brechen sarin effizient, sondern auch eine, die Langlebigkeit — ein Katalysator, der würde nicht gehemmt werden, zu schnell oder erstellen Sie ein Reaktionsprodukt blockieren würden „active sites“ und machen den Katalysator unwirksam.

In früheren Studien, die Chemiker identifizierten eine Gruppe von Materialien genannt polyoxometalates (POMs) als guter Kandidat für das zerlegen Nervengifte. Nun, Frenkel und sein team haben getestet, ein einzigartiges material, erstellt von team-Mitglieder von der Emory University, hat die Zirkonium-Atome der Verbindung von zwei POM-Moleküle zusammen.

„Um zu ermitteln, warum ein Katalysator funktioniert, müssen Sie Ihre aktive Seite,“ Frenkel sagte. „Wir vermuten, dass die isolierten Zirkonium-Atome wurden die aktiven Zentren für diesen Katalysator. Um zu testen, ob die Theorie, die wir analysiert das material nicht nur eine Methode, sondern viele, Charakterisierung Techniken-ein multimodaler Ansatz, der uns ermöglicht, zu isolieren, die aktiven Moleküle vor, ändern sich nicht während der Reaktion.“

Zusätzlich, Ihre Experimente wurden unter real-life Bedingungen, in denen sarin gefunden werden würde — die gas-phase. Die bisherige Forschung POM-Katalysatoren für die CWA Dekontamination wurden nur durchgeführt, in der flüssigen phase.

Alle Experimente wurden mit einem harmlosen sarin-gas simulant. „Es ist wichtig zu erkennen, dass gefährliche Stoffe wie Nervengas nicht einfach untersucht, die in konventionellen Forschungseinrichtungen, wie Brookhaven Lab,“ Frenkel sagte. „So, im Bereich der CWA Dekontamination Forschung, die Wissenschaftler arbeiten nicht mit echten Nerven-Agenten, sondern mit Simulanzlösemittel, die mimik, die Ihre Tätigkeit ohne Schaden.“

Bestätigen Sie Ihre simulant verhielt sich in der gleichen Weise wie sarin, das research-team die Experimente wurden wiederholt mit dem tatsächlichen sarin durch die US-Armee CCDC Chemical Biological Center (CBC) in Aberdeen Proving Ground.

„Durch die Verbindung unserer Messungen mit der Möglichkeit zur Durchführung von agent Tests unter gleichen ökologischen Bedingungen, die es uns ermöglicht zu überprüfen den Simulator, Arbeit und verstehen, wie die POM adsorbiert und reagiert mit chemischen Kampfstoffe“, sagte Wesley Gordon, co-Autor des Papiers.

Studium der Katalysator aus einem multimodalen Ansatz

Für die erste Studie am Brookhaven führten die Forscher x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) — eine recherche-Technik, die verwendet ultrabright x-Strahlen zur Messung der elementaren Zusammensetzung einer Probe.

„XPS“ ist eine Technik, die empfindlich ist, um die kinetische Energie eines photoelektrons, der ausgestoßen wird aus einem material, wenn es durch Treffer des ultrabright x-Strahlen“, sagte Frenkel. „Mit dieser Technik, die wir beobachtet haben, eine änderung in den Ladestand des Zirkonium-atom in dem Molekül, die uns sagt, dass es das Zirkonium in der Katalysator reagiert mit der Nerv-agent.“

Von dort aus, das team verglichen die Daten von mehrere zusätzliche Techniken, die abgeschlossen wurden am Brookhaven National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) und SLAC National Accelerator Laboratory der Stanford Synchrotron-Lichtquelle (SSRL) — zwei DOE Office of Science Benutzer Einrichtungen.

„An NSLS-II, die wir verwendet eine Technik namens in-situ x-ray diffraction, zu offenbaren, long-range-ordering oder disordering in Atomare Strukturen“, sagte Sanjit Ghose, beamline scientist an der NSLS-II – X-ray Powder Diffraction (XPD) – beamline, wo die Forschung durchgeführt wurde. „Vergleicht man die Beugungsmuster zeigten deutlich die disordering der Zirkonium-POM Kristallgitter mit der adsorption der simulant Moleküle.“

Am SSRL, eine Technik namens x-ray absorption fine structure-Spektroskopie wurde verwendet, um die Identifizierung von änderungen in die lokale Atomare Umgebung um Zirkonium in den verschiedenen Phasen der chemischen Reaktion.

Theorie komplettiert das puzzle

Nach Korrelation der Ergebnisse aus Ihrer Reihe von experimentellen Techniken, die Wissenschaftler entdeckt, etwas überraschend.

„In der Regel ein Katalysator ist eine starre Struktur, die stabil bleibt,“ Frenkel sagte. „Zunächst, dieser Katalysator wurde eine dimer-zwei große Moleküle verbunden durch zwei bridging-Bindungen. Es sah aus wie ein Fahrrad mit zwei Rädern und einem Rahmen verbinden. Was wir verstanden haben, nach einem Blick auf die Katalysator-mit all diesen Techniken ist, dass das Fahrrad brach in zwei „Rädern“ und der „Rahmen“ geschnitten wurde.“

Mit Hilfe von computer-Modellen des Katalysators, die das team des computational Chemiker an der Virginia Tech und Emory University festgestellt, dass die strukturellen Veränderungen ausgesetzt, die Zirkonium-Atome sarin und sarin-Zirkonium-Interaktionen gefunden wurden, verantwortlich zu sein für die Zersetzung der Nerv-agent.

„Der Prozess der Zerschlagung der dimer war gleichbedeutend mit der Aktivierung des Katalysators,“ Frenkel sagte.

In der nächsten Phase der Forschung, das team baut auf deren Ergebnissen die Konzeption und Optimierung von Katalysatoren mit isolierten Zirkonium-Websites, basierend auf anderen porösen Materialien, haben eine verbesserte Aktivität für das zerlegen War.

Diese Studie wurde unterstützt durch das US Army Research Laboratory, das US Army Research Office, die Defense Threat Reduction Agency und der National Science Foundation. Operationen an NSLS-II und SSRL werden unterstützt durch DOE Office of Science. Zusätzliche Unterstützung wurde von der Brookhaven – Labor Geleitet, Forschung und Entwicklung Programm.