Shaama Sharada kallar koldioxid - den värsta gärningsmannen för global uppvärmning - en mycket stabil, "mycket glad molekyl."

Det syftar hon till att ändra på.

Nyligen publicerad i Journal of Physical Chemistry A , Sharada och ett team av forskare vid USC Viterbi School of Engineering försöker bryta CO ₂ separera och omvandla växthusgasen till användbara material som bränslen eller konsumentprodukter som sträcker sig från läkemedel till polymerer.

Vanligtvis, denna process kräver en enorm mängd energi. Dock, i den första beräkningsstudien i sitt slag, Sharada och hennes team fick en mer hållbar allierad:solen.

Specifikt, de visade att ultraviolett (UV) ljus kan vara mycket effektivt för att spänna en organisk molekyl, oligofenylen. Vid exponering för UV, oligofenylen blir en negativt laddad "anjon, "enkelt överföra elektroner till närmaste molekyl, som CO ₂ - därmed gör CO ₂ reaktiva och kan reduceras och omvandlas till saker som plast, droger eller till och med möbler.

"CO ₂ är notoriskt svårt att minska, det är därför den lever i årtionden i atmosfären, "Sade Sharada." Men denna negativt laddade anjon kan reducera till och med något så stabilt som CO ₂ , det är därför det är lovande och varför vi studerar det. "

Den snabbt växande koncentrationen av koldioxid i jordens atmosfär är en av de mest angelägna frågorna mänskligheten måste ta itu med för att undvika en klimatkatastrof.

Sedan början av industriåldern har människor har ökat koldioxid i atmosfären ₂ med 45%, genom förbränning av fossila bränslen och andra utsläpp. Som ett resultat, genomsnittliga globala temperaturer är nu två grader Celsius varmare än den pre-industriella eran. Tack vare växthusgaser som CO ₂ , värmen från solen förblir instängd i vår atmosfär, värmer vår planet.

Forskargruppen från Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science leddes av tredje året Ph.D. student Kareesa Kron, övervakad av Sharada, en WISE Gabilan biträdande professor. Verket var medförfattare av Samantha J. Gomez från Francisco Bravo Medical Magnet High School, som har varit en del av USC Young Researchers Program, låta gymnasieelever från underrepresenterade områden delta i STEM -forskning.

Många forskargrupper tittar på metoder för att konvertera CO ₂ som har fångats från utsläpp till bränslen eller kolbaserade råvaror för konsumentprodukter från läkemedel till polymerer.

Processen använder traditionellt antingen värme eller elektricitet tillsammans med en katalysator för att påskynda CO ₂ konvertering till produkter. Dock, många av dessa metoder är ofta energikrävande, vilket inte är idealiskt för en process som syftar till att minska miljöpåverkan. Att använda solljus istället för att excitera katalysatormolekylen är attraktivt eftersom det är energieffektivt och hållbart.

"De flesta andra sätt att göra detta innebär att man använder metallbaserade kemikalier, och dessa metaller är sällsynta jordartsmetaller, "sa Sharada." De kan vara dyra, de är svåra att hitta och de kan potentiellt vara giftiga. "

Sharada sa att alternativet är att använda kolbaserade organiska katalysatorer för att genomföra denna ljusassisterade omvandling. Dock, denna metod ger sina egna utmaningar, som forskargruppen vill ta itu med. Teamet använder kvantkemisimuleringar för att förstå hur elektroner rör sig mellan katalysatorn och CO ₂ för att identifiera de mest livskraftiga katalysatorerna för denna reaktion.

Sharada sa att arbetet var den första beräkningsstudien i sitt slag, genom att forskare inte tidigare hade undersökt den bakomliggande mekanismen för att flytta en elektron från en organisk molekyl som oligofenylen till CO ₂ . Teamet fann att de kan utföra systematiska modifieringar av oligofenylenkatalysatorn, genom att lägga till grupper av atomer som ger specifika egenskaper när de är bundna till molekyler, som tenderar att skjuta elektroner mot katalysatorns centrum, för att påskynda reaktionen.

Trots utmaningarna, Sharada är glada över möjligheterna för sitt team.

"En av dessa utmaningar är att ja, de kan utnyttja strålning, men väldigt lite av det finns i det synliga området, där du kan skina ljus på det för att reaktionen ska ske, "sa Sharada." Normalt sett du behöver en UV -lampa för att få det att hända. "

Sharada sa att teamet nu utforskar katalysatordesignstrategier som inte bara leder till höga reaktionshastigheter utan också gör det möjligt för molekylen att exciteras av synligt ljus, använder både kvantkemi och genetiska algoritmer.

Forskningspapperet markerar gymnasieeleven Gomez första medförfattarpublikation i en prestigefylld granskad tidskrift.

Gomez var senior vid Bravo Medical Magnet -skolan när hon deltog i USC Young Researchers Program under sommaren, arbetar i Sharadas labb. Hon blev direkt mentor och utbildad i teori och simuleringar av Kron. Sharada sa att Gomez bidrag var så imponerande att laget kom överens om att hon förtjänade ett författarskap på tidningen.

Gomez sa att hon njöt av möjligheten att arbeta med viktig forskning som bidrar till miljömässig hållbarhet. Hon sa att hennes roll innebar att bedriva beräkningsforskning, beräkna vilka strukturer som kunde reducera CO avsevärt ₂ .

"Traditionellt har vi visat att forskning kommer från laboratorier där du måste bära labrockar och arbeta med farliga kemikalier, "Gomez sa." Jag njöt av att jag varje dag alltid lärde mig nya saker om forskning som jag inte visste kunde göras helt enkelt genom datorprogram. "

"Den förstahandsupplevelse jag fick var helt enkelt det bästa jag kunde ha bett om, eftersom det tillät mig att utforska mitt intresse för kemiteknikområdet och se hur det finns många sätt som livräddande forskning kan uppnås, "Sa Gomez.