Eftersom livet för miljontals människor världen över stördes av sociala distansåtgärder för att bekämpa covid-19-pandemin i början av 2020, en oväntad god nyhet dök upp:nivåerna av luftföroreningar i storstäderna hade sjunkit med upp till 50 % på grund av den globala minskningen av resande, tillverkning, och konstruktion. De mest dramatiska effekterna sågs i Indien, hem till 14 av de 20 mest förorenade städerna på jorden, där folk lagt upp bilder på sociala medier som visar blå himmel och klar luft för första gången i färskt minne.

Det tillfälliga uppskovet var en skarp påminnelse om att det moderna samhällets motor drivs på förbränning av fossila bränslen, som släpper ut en skadlig blandning av kemikalier i luften inklusive giftig kolmonoxidgas, VOC (flyktiga organiska föreningar) som formaldehyd som kan orsaka cancer, och kväveoxider som reagerar med VOC för att skapa ozon, vilket orsakar andningsproblem och till och med för tidig död. Världshälsoorganisationen uppskattar att sju miljoner människor dödas varje år på grund av luftföroreningar, och Greenpeace Sydostasien har rapporterat att förorenad luft kostar världen biljoner dollar i medicinsk vård årligen.

Problemet med smutsig luft är inte nytt:även eldning av ved släpper ut giftiga kemikalier som kan orsaka hälsoproblem vid inandning. Men explosionen av tillverkning under den industriella revolutionen ledde till oöverträffade nivåer av luftföroreningar som fortsatte i stort sett okontrollerat under det tidiga 1900-talet, förvärras av den utbredda användningen av bensinbilar. Det fanns inga effektiva sätt att ta bort föroreningar från avgaserna förrän på 1950-talet, när maskiningenjören Eugene Houdry uppfann den första katalysatorn för att ta itu med den svarta smog som kvävde Los Angeles och andra amerikanska städer.

Katalysatorer använder sig av en katalysator, vanligtvis en dyr metall som platina eller palladium, att påskynda de kemiska reaktionerna mellan syre och föroreningar i luften för att omvandla dem till mindre giftiga biprodukter som vattenånga, koldioxid, och kvävgas. Att leda avgaser genom ett metallhus belagt med katalysatorn kan ta bort upp till 98 % av föroreningarna från dem, och bestämmelser som kräver installation av katalysatorer på bilar och skorstenar har bidragit till att dramatiskt förbättra luftkvaliteten i städer runt om i världen sedan 1970-talet.

Trots framgången med katalysatorer när det gäller att minska föroreningarna som släpps ut av varje bil eller fabrik, den dramatiska ökningen av antalet fordon och industribyggnader på planeten under de senaste 50 åren har orsakat en total nedgång i luftkvaliteten. Forskning om atmosfärisk kemi har visat att sammansättningen av avgaser är mer komplex än vad man ursprungligen trodde, och flera steg har behövt läggas till katalysatorer för att ta bort olika föroreningar, öka sina kostnader. Också att göra dem dyrare är bristen på de ädla metaller som används för att katalysera reaktionerna – idag, platina kostar cirka $785 per uns. Den kostnaden begränsar inte bara installationen av katalysatorer till stora tillverkare med djupa fickor, det driver en blomstrande brottsverksamhet där tjuvar stjäl katalysatorerna från bilar och säljer dem på den svarta marknaden för metallerna de innehåller. Att byta ut en katalysator kan lätt kosta över $1, 000, som många människor i låginkomstländer helt enkelt inte har råd med, så de fortsätter att köra fordon som rapar ofiltrerade föroreningar.

Små strukturer, stor påverkan

Varje lösning på detta mångfacetterade problem måste hitta en knepig balans mellan att minska kostnaderna för katalysatorer utan att kompromissa med deras prestanda, och måste vara tillräckligt flexibel för att ta bort flera olika ämnen från avgaserna. Medan han arbetade i labbet hos Wyss Core Faculty-medlem Joanna Aizenberg, tidigare Wyss Institute-forskare Tanya Shirman, Ph.D. och Elijah Shirman, Ph.D. upptäckte att naturen skapade just en sådan lösning för miljontals år sedan som har gömt sig i osynligt ända sedan dess:fjärilsvingar.

När de inspekteras under ett mikroskop, ytan på en fjärils vinge visar sig ha en porös, stel arkitektur som ger vingen dess unika fysiska egenskaper, inklusive färg, vattentålighet, stabilitet, och temperaturkontroll. Shirmans insåg att de kunde härma denna nanoskala arkitektur för att skapa en anpassningsbar ställning för katalysatorer som skulle tillåta dem att kontrollera allt från kompositionen, storlek, och placering av de katalytiska nanopartiklarna till formen och mönstret på ställningen.

"Katalysatorer har idag tre stora problem:de är dyra på grund av de ädla metallerna, de är ineffektiva eftersom mycket av katalysatorn aldrig kommer i kontakt med luften som den ska rengöra, och katalysatorerna fungerar bara inom ett specifikt temperaturintervall, så innan en bil eller en fabrik värms upp, "de bara spyr ut föroreningar som inte är rengjorda, " sa Tanya Shirman, som nu är VP of Material Design på Metalmark. "Just nu, du skulle behöva utveckla separata material för att ta itu med kostnadsproblemen, prestanda, och temperaturstabilitet, men vår teknik kan lösa alla tre problem på en gång."

Teamet har skapat en prototyp där nanopartiklar av katalysatorn placeras på exakta punkter på den bikakeliknande organiska kolloidställningen för att säkerställa att all katalysator utsätts för avgaser, minimera avfall och producera mer effektiv rengöring. Den kan också fungera effektivt vid lägre temperaturer än en typisk katalysator, minska både föroreningarna som frigörs av "kalla" motorer och energiförbrukningen. Viktigt, systemet är utformat för att integreras sömlöst i den befintliga katalysatorproduktionsprocessen. Eftersom 70-90 % av tillverkningskostnaden kommer från inköp av katalysatormetallen, en enkel byte till Shirmans design kan möjliggöra produktion av mycket billigare katalysatorer, göra luftrening mer överkomlig och förhoppningsvis orsaka färre stölder.

Från labbbänken till kraftverket

Shirmans började testa sin idé i labbet 2016, och kunde visa att deras system producerade en mycket aktiv och stabil katalysator. Men deras prov var bara cirka 50 milligram i storlek (ungefär 1/100 av en tesked), och de visste att de skulle behöva testa den i större skala för att bevisa att den kunde fungera på riktiga katalysatorer. De lämnade in sitt projekt till Harvard President's Innovation Challenge 2017 och vann andra plats, vilket gav dem förtroende för att det hade potential att lyckas kommersiellt såväl som tekniskt. Samma år, de ansökte och antogs som ett valideringsprojekt vid Wyss Institute, och tillbringade de kommande två åren med att optimera och skala upp sin teknik.

Förra månaden har teamet sedan tagit ytterligare ett stort steg mot sitt mål att göra renare luft till verklighet genom att skapa ett nystartat företag, Metallmärke. Deras senaste prototyp validerades nyligen av ett specialiserat National Lab och testas nu av en industriell partner.

"De flesta av de nya materialen som utvecklats i akademiska laboratorier kommer aldrig ut på marknaden eftersom de fungerar riktigt bra i liten skala, men att masstillverka dem samtidigt som de bevarar deras funktion är mycket svårt och dyrt. Vi startade det här projektet från början, från en idé, och på bara några år är det nästan vid den punkt där den kan arbeta i ett gigantiskt kraftverk för att rena stora mängder luft, " sa Elijah Shirman, som nu är VP of Technology på Metalmark.

Förutom stora kraftverk och bilar, teamet har siktet inställt på att tillämpa sin teknik för luftrening inomhus för hem, kontor, och andra byggnader. Inomhusluften erbjuder sin egen unika uppsättning utmaningar:typerna och mängderna av föroreningar varierar dramatiskt från byggnad till byggnad, och det skulle krävas en stor mängd energi för att värma luften till en temperatur där de nuvarande katalysatorerna kan arbeta, kyl sedan ner den till en behaglig nivå. Men Shirmans tror att med några fler tekniska justeringar, deras teknik skulle kunna nå dit.

"Denna plattform är extremt flexibel, och gör att vi snabbt kan ta itu med specifika problem som kan dyka upp angående luftrening. Till exempel, den skulle kunna utrustas med antivirala egenskaper för att filtrera ut viruspartiklar ur luften, som skulle bidra till att minska infektioner i sjukhusmiljöer och skulle kunna sättas in under framtida pandemier för att hjälpa till att rädda liv, sa Tanya Shirman.