Cristais que piscam quebram CO2 e produzem combustíveis
Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/07/2020
Cristais piscantes
Imagine pequenos cristais que piscam como vagalumes e podem converter dióxido de carbono (CO2), uma das principais contribuições humanas às mudanças climáticas, em combustíveis.
Tao Zhang e colegas da Universidade Rutgers, nos EUA, criaram cristais ultra-pequenos de dióxido de titânio (TiO2) que apresentam um comportamento inusitado de "piscar".
Inusitado porque o dióxido de titânio é um material largamente conhecido e usado, com mais de 10 milhões de toneladas produzidas anualmente. O material é usado em filtros solares, tintas, cosméticos e vernizes, por exemplo. Também é usado nas indústrias de papel e celulose, plástico, fibra, borracha, alimentos, vidro e cerâmica.
Embora ainda não esteja claro por que os cristais piscam - a equipe continua trabalhando nisso para tentar descobrir - eles lançam a hipótese de que o "piscar" surja de elétrons livres que são aprisionados pelas nanopartículas de dióxido de titânio. Para surtir esse efeito, os elétrons devem ficar presos nas nanopartículas por dezenas de segundos, antes de escapar, emitir um fóton, e depois ficar presos novamente e novamente em um ciclo contínuo.
"Nossas descobertas são bastante importantes e intrigantes de várias maneiras, e são necessárias mais pesquisas para entender como esses cristais exóticos funcionam e para realizar seu potencial," disse o professor Tewodros Asefa.
Gasolina sem petróleo: Primeiros 200 l feitos de CO2 e energia solar
Limpeza ambiental
Por enquanto, o que interessa mesmo é o lado prático que os cristais piscantes prometem: eles se mostraram capazes de produzir metano e outros combustíveis.
Quando os cristais são expostos a um feixe de elétrons, reforçando seu comportamento, eles funcionam como um catalisador, quebrando as moléculas de CO2.
Segundo a equipe, esse fenômeno pode vir a ser utilizado para limpezas ambientais, sensores, dispositivos eletrônicos e células solares.
Para otimizar cada uma das funções, porém, eles primeiro terão que descobrir se sua hipótese sobre a manipulação dos elétrons está correta.
Hidrogênio é extraído do metano sem produzir CO2
Bibliografia:
Artigo: A Blinking Mesoporous TiO2-x Composed of Nanosized Anatase with Unusually Long-Lived Trapped Charge Carriers
Autores: Tao Zhang, Jingxiang Low, Jiaguo Yu, Alexei M. Tyryshkin, Eliska Mikmeková, Tewodros Asefa
Revista: Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202005143
Em 2016, a equipe do professor Shosuke Yoshida, da Universidade de Quioto, identificou uma nova espécie de bactéria, a Ideonella sakaiensis, que é capaz de usar o polietileno tereftalato - o conhecido PET das garrafas de refrigerante - como fonte de carbono e energia. Em outras palavras, a bactéria se alimenta de PET.
Trata-se, até hoje, do único organismo conhecido com essa capacidade e a única exceção ao fato de que todos os seres vivos conhecidos utilizam biomoléculas para sobreviver - a Ideonella sakaiensis utiliza uma molécula sintética, fabricada pelo ser humano.
Isso significa que essa bactéria é resultado de um processo evolutivo muito recente, ocorrido ao longo das últimas décadas. Ela conseguiu se adaptar a um polímero que foi desenvolvido no início dos anos 1940 e só começou a ser utilizado em escala industrial nos anos 1970. E ela faz isso usando uma enzima, que foi batizada de PETase.
PETase
Agora, pesquisadores brasileiros ajudaram a melhorar essa enzima, aumentando sua capacidade de "quebrar" as moléculas do PET, abrindo caminho para seu uso contra um dos principais problemas ambientais da atualidade: a poluição por plásticos, que demoram muito a se degradar no meio ambiente.
"Além de identificar a Ideonella sakaiensis, os japoneses descobriram que ela produzia duas enzimas que são secretadas para o meio ambiente. Uma das enzimas secretadas era justamente a PETase. Por ter certo grau de cristalinidade, o PET é um polímero muito difícil de ser degradado. Usamos tecnicamente o termo 'recalcitrância' para nomear a propriedade que certos polímeros muito empacotados possuem de resistir à degradação. O PET é um deles. Mas a PETase o ataca e o decompõe em pequenas unidades - o ácido mono(2-hidroxietil)tereftálico (MHET). As unidades de MHET são então convertidas em ácido tereftálico e absorvidas e metabolizadas pela bactéria," detalhou o pesquisador Rodrigo Leandro Silveira, do Instituto de Química da Unicamp.
Rodrigo e seu colega Munir Salomão Skaf participaram da pesquisa para o melhoramento da PETase ao lado de pesquisadores da Universidade de Portsmouth (Reino Unido) e do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA.
A PETase ataca o PET e o decompõe em pequenas unidades MHET. As unidades de MHET são então convertidas em ácido tereftálico e absorvidas e metabolizadas pela bactéria. [Imagem: Harry P. Austin et al. - 10.1073/pnas.1718804115]
Acelerando a evolução
De posse da estrutura tridimensional da PETase, os pesquisadores começaram a compará-la com proteínas aparentadas. A mais parecida é uma cutinase da bactéria Thermobifida fusca, que degrada a cutina, uma espécie de verniz natural que recobre as folhas das plantas. Certos microrganismos patogênicos utilizam cutinases para romper a barreira de cutina e se apropriar dos nutrientes presentes nas folhas.
A comparação tinha como objetivo identificar exatamente o que na PETase a torna capaz de degradar o PET. Para isso, a tática era ir eliminando partes da PETase até que ela "se reduzisse" a uma cutinase. Mas não foi isso o que a equipe obteve: eles atiraram no que viram, e acertaram no que não viram.
"Descobrimos que a PETase e a cutinase têm dois aminoácidos diferentes no sítio ativo. Por meio de procedimentos de biologia molecular, produzimos então mutações na PETase, com o objetivo de transformá-la em cutinase," contou Rodrigo. "Mas, para nossa surpresa, ao tentar suprimir a atividade peculiar da PETase, isto é, ao tentar transformar a PETase em cutinase, produzimos uma PETase ainda mais ativa. Buscávamos reduzir a atividade e, em vez disso, a aumentamos."
Com a modelagem e as simulações por computador, foi possível perceber que as alterações produzidas na PETase favorecem o acoplamento da enzima com o substrato - a enzima modificada se liga melhor ao polímero.
Em termos de uma futura aplicação prática, de obter um ingrediente capaz de degradar toneladas de lixo plástico, o estudo mostrou-se muito promissor. Agora deverão começar os esforços para passar da escala de laboratório para a industrial. Para isso, será necessário desenvolver a engenharia de reatores, otimização dos processos e avaliação de custos.
"O fato de termos conseguido uma enzima melhor fazendo uma pequena alteração sugere fortemente que essa evolução [da PETase] ainda não foi completada. Ainda há novas possibilidades evolutivas a serem compreendidas e exploradas, com vistas à obtenção de enzimas ainda mais eficientes. A PETase melhorada não é o fim do caminho. É apenas o começo," disse Rodrigo.
Cientistas criam vidro que converte energia solar em eletricidade
Um prédio revestido com este vidro, por exemplo, também economizaria energia com ar condicionado
Foto: Lawrence Berkeley/Divulgação
"Nossas descobertas são bastante importantes e intrigantes de várias maneiras, e são necessárias mais pesquisas para entender como esses cristais exóticos funcionam e para realizar seu potencial," disse o professor Tewodros Asefa.
Gasolina sem petróleo: Primeiros 200 l feitos de CO2 e energia solar
Limpeza ambiental
Por enquanto, o que interessa mesmo é o lado prático que os cristais piscantes prometem: eles se mostraram capazes de produzir metano e outros combustíveis.
Quando os cristais são expostos a um feixe de elétrons, reforçando seu comportamento, eles funcionam como um catalisador, quebrando as moléculas de CO2.
Segundo a equipe, esse fenômeno pode vir a ser utilizado para limpezas ambientais, sensores, dispositivos eletrônicos e células solares.
Para otimizar cada uma das funções, porém, eles primeiro terão que descobrir se sua hipótese sobre a manipulação dos elétrons está correta.
Hidrogênio é extraído do metano sem produzir CO2
Bibliografia:
Artigo: A Blinking Mesoporous TiO2-x Composed of Nanosized Anatase with Unusually Long-Lived Trapped Charge Carriers
Autores: Tao Zhang, Jingxiang Low, Jiaguo Yu, Alexei M. Tyryshkin, Eliska Mikmeková, Tewodros Asefa
Revista: Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202005143
Material respira CO2 do ar e cresce como planta
Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/12/2018
Os diagramas ilustram as propriedades de autocura do material fixador de carbono. No topo, uma rachadura é criada no material, que é composto de um hidrogel (verde escuro) com cloroplastos derivados de plantas (verde claro) embutidos nele. No fundo, na presença de luz, o material reage com dióxido de carbono do ar para expandir e preencher a lacuna, reparando o dano.[Imagem: Seon-Yeong Kwak et al. - 10.1002/adma.201804037]
Fixação de carbono
O gel biomimético pode crescer, se fortalecer e até se reparar à medida que incorpora o carbono do CO2 - e seu produto pode ser "colhido" e usado.
A versão atual ainda não é forte o suficiente para ser usada como material de construção, mas já pode funcionar como material de enchimento ou revestimento.
Ele pode, por exemplo, ser transformado em painéis de uma matriz leve que poderia ser enviada para um canteiro de obras, onde os painéis endureceriam e se solidificariam apenas pela exposição ao ar e à luz do Sol, economizando energia e custo de transporte.
"Este é um conceito completamente novo na ciência dos materiais. O que chamamos de materiais de fixação de carbono ainda não existem hoje fora do âmbito biológico," disse o professor Michael Strano, referindo-se a materiais que podem transformar o dióxido de carbono do ar ambiente em uma forma sólida estável usando apenas a energia da luz solar, como as plantas fazem.
Um material sintético que não apenas evite o uso de combustíveis fósseis para sua criação, mas realmente consuma dióxido de carbono do ar, tem benefícios óbvios para o meio ambiente: "Imagine um material sintético que possa crescer como árvores tirando o carbono do dióxido de carbono e incorporando-o na espinha dorsal do material," ilustrou Strano.
Este é o primeiro material de fixação de carbono artificial. [Imagem: Seon-Yeong Kwak et al. - 10.1002/adma.201804037]
Do biológico do sintético
Esta primeira versão do material de fixação de carbono ainda depende de um componente biológico - os cloroplastos - que precisam ser colhidos de uma planta, neste caso das folhas de espinafre. Os cloroplastos usados não estão mais vivos, mas catalisam a reação do dióxido de carbono para glicose.
Os cloroplastos isolados são bastante instáveis, o que significa que eles tendem a parar de funcionar após algumas horas depois de serem extraídos da planta.
Strano e sua equipe já demonstraram alguns métodos para aumentar significativamente o tempo de vida catalítico dos cloroplastos, mas, a longo prazo, pretendem substituí-los por catalisadores de origem não biológica.
Os diagramas ilustram as propriedades de autocura do material fixador de carbono. No topo, uma rachadura é criada no material, que é composto de um hidrogel (verde escuro) com cloroplastos derivados de plantas (verde claro) embutidos nele. No fundo, na presença de luz, o material reage com dióxido de carbono do ar para expandir e preencher a lacuna, reparando o dano.[Imagem: Seon-Yeong Kwak et al. - 10.1002/adma.201804037]
Este é o primeiro material de fixação de carbono artificial. [Imagem: Seon-Yeong Kwak et al. - 10.1002/adma.201804037]
Brasileiros ajudam a melhorar enzima que come PET
A PETase é mostrada em azul com uma cadeia de PET (amarelo) ligada a seu sítio ativo, onde o polímero é degradado.[Imagem: Rodrigo Leandro Silveira]
Em 2016, a equipe do professor Shosuke Yoshida, da Universidade de Quioto, identificou uma nova espécie de bactéria, a Ideonella sakaiensis, que é capaz de usar o polietileno tereftalato - o conhecido PET das garrafas de refrigerante - como fonte de carbono e energia. Em outras palavras, a bactéria se alimenta de PET.
Trata-se, até hoje, do único organismo conhecido com essa capacidade e a única exceção ao fato de que todos os seres vivos conhecidos utilizam biomoléculas para sobreviver - a Ideonella sakaiensis utiliza uma molécula sintética, fabricada pelo ser humano.
Isso significa que essa bactéria é resultado de um processo evolutivo muito recente, ocorrido ao longo das últimas décadas. Ela conseguiu se adaptar a um polímero que foi desenvolvido no início dos anos 1940 e só começou a ser utilizado em escala industrial nos anos 1970. E ela faz isso usando uma enzima, que foi batizada de PETase.
PETase
Agora, pesquisadores brasileiros ajudaram a melhorar essa enzima, aumentando sua capacidade de "quebrar" as moléculas do PET, abrindo caminho para seu uso contra um dos principais problemas ambientais da atualidade: a poluição por plásticos, que demoram muito a se degradar no meio ambiente.
"Além de identificar a Ideonella sakaiensis, os japoneses descobriram que ela produzia duas enzimas que são secretadas para o meio ambiente. Uma das enzimas secretadas era justamente a PETase. Por ter certo grau de cristalinidade, o PET é um polímero muito difícil de ser degradado. Usamos tecnicamente o termo 'recalcitrância' para nomear a propriedade que certos polímeros muito empacotados possuem de resistir à degradação. O PET é um deles. Mas a PETase o ataca e o decompõe em pequenas unidades - o ácido mono(2-hidroxietil)tereftálico (MHET). As unidades de MHET são então convertidas em ácido tereftálico e absorvidas e metabolizadas pela bactéria," detalhou o pesquisador Rodrigo Leandro Silveira, do Instituto de Química da Unicamp.
Rodrigo e seu colega Munir Salomão Skaf participaram da pesquisa para o melhoramento da PETase ao lado de pesquisadores da Universidade de Portsmouth (Reino Unido) e do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA.
A PETase ataca o PET e o decompõe em pequenas unidades MHET. As unidades de MHET são então convertidas em ácido tereftálico e absorvidas e metabolizadas pela bactéria. [Imagem: Harry P. Austin et al. - 10.1073/pnas.1718804115]
Acelerando a evolução
De posse da estrutura tridimensional da PETase, os pesquisadores começaram a compará-la com proteínas aparentadas. A mais parecida é uma cutinase da bactéria Thermobifida fusca, que degrada a cutina, uma espécie de verniz natural que recobre as folhas das plantas. Certos microrganismos patogênicos utilizam cutinases para romper a barreira de cutina e se apropriar dos nutrientes presentes nas folhas.
A comparação tinha como objetivo identificar exatamente o que na PETase a torna capaz de degradar o PET. Para isso, a tática era ir eliminando partes da PETase até que ela "se reduzisse" a uma cutinase. Mas não foi isso o que a equipe obteve: eles atiraram no que viram, e acertaram no que não viram.
"Descobrimos que a PETase e a cutinase têm dois aminoácidos diferentes no sítio ativo. Por meio de procedimentos de biologia molecular, produzimos então mutações na PETase, com o objetivo de transformá-la em cutinase," contou Rodrigo. "Mas, para nossa surpresa, ao tentar suprimir a atividade peculiar da PETase, isto é, ao tentar transformar a PETase em cutinase, produzimos uma PETase ainda mais ativa. Buscávamos reduzir a atividade e, em vez disso, a aumentamos."
Com a modelagem e as simulações por computador, foi possível perceber que as alterações produzidas na PETase favorecem o acoplamento da enzima com o substrato - a enzima modificada se liga melhor ao polímero.
Em termos de uma futura aplicação prática, de obter um ingrediente capaz de degradar toneladas de lixo plástico, o estudo mostrou-se muito promissor. Agora deverão começar os esforços para passar da escala de laboratório para a industrial. Para isso, será necessário desenvolver a engenharia de reatores, otimização dos processos e avaliação de custos.
"O fato de termos conseguido uma enzima melhor fazendo uma pequena alteração sugere fortemente que essa evolução [da PETase] ainda não foi completada. Ainda há novas possibilidades evolutivas a serem compreendidas e exploradas, com vistas à obtenção de enzimas ainda mais eficientes. A PETase melhorada não é o fim do caminho. É apenas o começo," disse Rodrigo.
Cientistas criam vidro que converte energia solar em eletricidade
Um prédio revestido com este vidro, por exemplo, também economizaria energia com ar condicionado
Foto: Lawrence Berkeley/Divulgação
Uma equipe de cientistas que trabalha no Lawrence Berekley National Laboratry, na Universidade de Berkeley – Califórnia, criou um painel de vidro fotovoltaico, capaz de absorver a luz solar, transformando-a em energia elétrica, que poderá substituir os tradicionais painéis solares. Esta tecnologia inovadora pode ser usada em prédios e até mesmo em carros, que serão capazes de gerar sua própria eletricidade.
O vidro é revestido por um líquido semicondutor que contém diversos compostos químicos, como césio e iodeto de chumbo, que quando expostos à luz do sol, convertem o calor em energia elétrica. Além do mais, este vidro é menos transparente que os tradicionais, permitindo que menos calor passe nos ambientes onde ele é colocado. Desta maneira, um prédio revestido com este vidro, por exemplo, também economizaria energia com ar condicionado.
No momento, a equipe está trabalhando para que ele se torne mais eficiente, já que por enquanto consegue converter 7% da energia que chega até ele e, para que ele seja economicamente viável, precisaria ser no mínimo 10%. A questão estética também precisa ser revista, já que quando aquecido este vidro fica vermelho, laranja ou marrom, o que não é muito agradável, muito menos, bonito.
Os cientistas estão testando outras possibilidades, como, por exemplo, utilizar um corante no vidro, sem que isso interfira em sua eficiência.
(Via Razões Para Acreditar, com informações do Olhar Digital)
O vidro é revestido por um líquido semicondutor que contém diversos compostos químicos, como césio e iodeto de chumbo, que quando expostos à luz do sol, convertem o calor em energia elétrica. Além do mais, este vidro é menos transparente que os tradicionais, permitindo que menos calor passe nos ambientes onde ele é colocado. Desta maneira, um prédio revestido com este vidro, por exemplo, também economizaria energia com ar condicionado.
No momento, a equipe está trabalhando para que ele se torne mais eficiente, já que por enquanto consegue converter 7% da energia que chega até ele e, para que ele seja economicamente viável, precisaria ser no mínimo 10%. A questão estética também precisa ser revista, já que quando aquecido este vidro fica vermelho, laranja ou marrom, o que não é muito agradável, muito menos, bonito.
Os cientistas estão testando outras possibilidades, como, por exemplo, utilizar um corante no vidro, sem que isso interfira em sua eficiência.
(Via Razões Para Acreditar, com informações do Olhar Digital)
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