哈佛大学林赛·布朗内尔 蝴蝶的翅膀具有纳米级的特殊结构，赋予它们所有的物理特性，包括颜色、防水和热调节
怀斯的研究人员利用这些能力创造了更便宜、更优化的催化转化器，以改善空气净化
信用:Shutterstock 2020年初，全球数百万人的生活被抗击COVID-19大流行的社交距离措施所扰乱，一个意想不到的好消息浮出水面:由于全球旅行、制造和建筑的减少，主要城市的空气污染水平下降了高达50%
最引人注目的影响出现在印度，那里是地球上20个污染最严重的城市中的14个的所在地，人们在社交媒体上发布照片，显示最近记忆中第一次出现蓝天和晴空
暂时的缓刑提醒人们，现代社会的引擎是依靠化石燃料的燃烧来运转的，化石燃料向空气中释放出有毒的化学物质混合物，包括有毒的一氧化碳气体、挥发性有机化合物(如可导致癌症的甲醛)以及与挥发性有机化合物反应产生臭氧的氮氧化物，臭氧会导致呼吸问题，甚至过早死亡
世界卫生组织估计，每年有700万人死于空气污染，而东南亚绿色和平组织报告称，污染的空气每年给世界带来数万亿美元的医疗费用
污浊空气的问题并不是一个新问题:即使燃烧木材也会释放有毒化学物质，吸入后会导致健康问题
但工业革命期间制造业的爆炸导致了前所未有的空气污染水平，这种污染在20世纪初基本上没有得到控制，并因汽油燃烧汽车的广泛使用而加剧
直到20世纪50年代，还没有有效的方法来去除废气中的污染物，当时机械工程师尤金·胡德里发明了第一个催化转化器来解决困扰洛杉矶和其他美国城市的黑色烟雾
催化转化器利用催化剂，通常是一种昂贵的金属，如铂或钯，来加速氧气和空气中污染物之间的化学反应，将它们转化为毒性较低的副产品，如水蒸气、二氧化碳和氮气
将废气通过涂有催化剂的金属外壳可以去除高达98%的污染物，自20世纪70年代以来，要求在汽车和烟囱上安装催化转化器的规定极大地改善了世界各地城市的空气质量
尽管催化转换器在减少每辆汽车或工厂排放的污染方面取得了成功，但在过去50年里，地球上车辆和工业建筑数量的急剧增加导致了空气质量的整体下降
对大气化学的研究表明，废气的成分比原先想象的要复杂得多，必须在催化转化器上增加多级来去除不同的污染物，从而增加了成本
使它们更加昂贵的还有用于催化反应的贵金属的稀缺——如今，铂的价格约为每盎司785美元
这笔费用不仅限制了财大气粗的大型制造商安装催化转化器，还催生了一个蓬勃发展的犯罪行业，在这个行业中，小偷从汽车上偷走催化转化器，然后在黑市上出售它们所含的金属
更换催化转换器很容易花费1000多美元，而许多低收入国家的人根本负担不起，所以他们继续驾驶排放未经过滤的污染的车辆
微小的结构，巨大的冲击 Wyss研究所正在开发一种新型催化转化器涂层，这种涂层受蝴蝶翅膀纳米级结构的启发，可以显著降低成本，提高空气净化技术的性能，使所有人都更容易获得
学分:哈佛大学威斯学院 这个多方面问题的任何解决方案都必须在降低催化转化器成本和不损害其性能之间取得微妙的平衡，并且需要足够灵活以从废气中去除多种不同的物质
前威斯学院研究员坦尼娅·希尔曼博士在威斯核心学院成员乔安娜·艾森伯格的实验室工作时
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以利亚·希尔曼博士
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我发现大自然在几百万年前创造了这样一种解决方案，从那时起它就隐藏在人们的视线中:蝴蝶翅膀
在显微镜下观察，蝴蝶翅膀的表面呈现出多孔、坚硬的结构，赋予翅膀独特的物理特性，包括颜色、防水性、稳定性和温度控制
希曼一家意识到他们可以模仿这种纳米尺度的结构来创建一个可定制的催化剂支架，这样他们就可以控制一切，从催化纳米粒子的组成、大小和位置到支架的形状和图案
“今天的催化转化器有三个主要问题:它们因为贵金属而昂贵，它们效率低下，因为许多催化剂从来没有接触到它应该净化的空气，而且催化剂只在特定的温度范围内工作，所以在汽车或工厂变暖之前，“它们只是在排放没有净化的污染，”坦尼娅·希尔曼说，她现在是金属马克公司的材料设计副总裁
“现在，您需要开发单独的材料来解决成本、性能和温度稳定性问题，但是我们的技术可以同时解决这三个问题
" 该团队已经创建了一个原型，其中催化剂的纳米颗粒被放置在蜂窝状有机胶体支架的精确点上，以确保所有的催化剂都暴露在废气中，最大限度地减少浪费，并产生更有效的清洁效果
它还可以在比典型的催化转化器更低的温度下有效地运行，减少“冷”发动机释放的污染和能源消耗
重要的是，该系统旨在无缝集成到现有的催化转化器生产过程中
因为70-90%的制造成本来自于购买催化剂金属，简单地转换到希尔曼的设计可以生产更便宜的催化转化器，使空气净化更经济，并有望减少盗窃
从实验室工作台到发电厂 受蝴蝶翅膀启发的结构允许贵金属催化剂(白色)战略性地放置在多孔支架(灰色)上，从而使催化反应更加高效和经济
学分:哈佛大学威斯学院 希尔曼夫妇于2016年首次开始在实验室测试他们的想法，并证明他们的系统产生了非常活跃和稳定的催化剂
但是他们的样本只有大约50毫克(大约1/100茶匙)，他们知道他们必须在更大的范围内测试它，以证明它可以在真正的催化转换器上工作
他们在2017年向哈佛大学校长创新挑战提交了他们的项目，并获得了第二名，这让他们相信该项目有潜力在商业和技术上取得成功
同年，他们申请并被怀斯研究所接受为验证项目，并在接下来的两年里致力于优化和扩大他们的技术
上个月，该团队通过创建初创公司Metalmark，朝着实现清洁空气的目标又迈出了一大步
他们的最新原型最近由一个专门的国家实验室验证，现在正由一个工业伙伴进行测试
“学术实验室开发的大部分新材料都无法上市，因为它们在小规模生产时效果很好，但在大规模生产时仍能保持其功能是非常困难和昂贵的
“我们从零开始，从一个想法开始这个项目，仅仅几年后，它几乎可以在一个巨大的发电厂工作，净化大量的空气，”以利亚·希尔曼说，他现在是金属马克公司的技术副总裁
除了大型发电厂和汽车，该团队还致力于将他们的技术应用于家庭、办公室和其他建筑的室内空气净化
室内空气有其独特的挑战:不同建筑的污染物种类和数量差异很大，将空气加热到当前催化剂可以工作的温度，然后将其冷却到舒适的水平需要大量的能量
但是希尔曼一家相信，只要多做一些工程调整，他们的技术就能实现
“这个平台非常灵活，允许我们快速解决空气净化方面可能出现的具体问题
例如，它可以配备抗病毒特性，以过滤空气中的病毒颗粒，这将有助于减少医院环境中的感染，并可以在未来的流行病期间部署，以帮助拯救生命，”坦尼娅·希尔曼说
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