Una migliore comprensione delle configurazioni di purificazione aiuterà gli scienziati dei materiali a sviluppare sistemi di filtraggio migliori. Credito:Panther Media GmbH / Alamy
L'intrappolamento di molecole su superfici porose progettate su misura diventa più semplice con un nuovo modello che unifica le precedenti teorie sull'adsorbimento.
Molti strumenti di purificazione, dai semplici filtri a carbone vegetale ai complessi impianti di desalinizzazione, fare affidamento su solidi con milioni di minuscoli pori per catturare e rimuovere i contaminanti senza legarsi chimicamente ad essi. Ora, un team KAUST ha identificato i fattori chiave che collegano l'adsorbimento su diversi tipi di superfici porose, risolvere problemi secolari di previsione dell'assorbimento di sostanze sconosciute.
Agli inizi del 1900, il concetto di isoterme di adsorbimento è emerso per descrivere come si comportano gli adsorbenti in presenza di quantità di molecole in costante aumento. Questi grafici hanno forme distinte che dipendono dalle proprietà della superficie su scala atomica, ad esempio, se le particelle si attaccano a strati singoli o multistrato, e divenne rapidamente essenziale per la progettazione e la comprensione delle configurazioni di purificazione. La maggior parte degli assorbenti, i chimici hanno trovato, potrebbe essere ordinato in una delle sei isoterme dopo alcune misurazioni sperimentali.
Però, assorbenti moderni con strutture porose eterogenee, come strutture metallo-organiche (MOF), si stanno rivelando più difficili da modellare. Sebbene questi materiali traggano vantaggio dai test ad alta produttività di numerosi campioni, la necessità di misurazioni isoterme individuali rallenta notevolmente la scoperta, una situazione sperimentata dal professor Kim Choon Ng presso il Centro di desalinizzazione e riutilizzo dell'acqua di KAUST.
Immagini SEM della superficie porosa all'aumentare della forza microscopica (dall'alto a sinistra). Attestazione:KAUST
"Stavamo lavorando per migliorare il trattamento dell'acqua di mare, e usare le isoterme era molto noioso, " dice Ng. "Ognuno doveva fare il proprio lavoro di prova ed errore per particolari applicazioni, e non esisteva una vera teoria per aiutare le persone a progettare assorbenti."
Con i ricercatori Muhammad Burhan e Muhammad Shahzad, Ng mirava a scoprire come le diverse isoterme potessero essere combinate in un unico modello universale. Hanno proposto di suddividere le superfici con variazioni dei pori su scala nanometrica in piccole macchie che assorbono le molecole ospiti in condizioni termodinamiche e cinetiche simili. Introducendo un fattore di probabilità per definire la distribuzione dell'energia di ogni patch, il team ha creato una funzione matematica in grado di individuare caratteristiche significative delle superfici adsorbenti.
Le differenze nelle dimensioni dei pori sulle superfici assorbenti possono essere comprese meglio con un modello che individua minuscole regioni in cui i gas si attaccano a energie simili Riprodotte con il permesso sotto licenza Creative Commons di riferimento. Attestazione:KAUST
I confronti tra le previsioni generate dal modello universale e le isoterme della letteratura hanno rivelato la potenza del nuovo approccio. Non solo i dati teorici corrispondevano agli esperimenti misurati per tutte e sei le categorie di isoterme, ma più picchi sono comparsi nei grafici di distribuzione dell'energia quando vengono rilevate condizioni eterogenee, parametri che potrebbero rivelarsi critici per lo sviluppo di materiali innovativi con capacità di assorbimento ottimizzate.
"Ogni coppia adsorbente-adsorbato ha una propria funzione di distribuzione dell'energia distinta, che ci permette di catturare tutte le informazioni nelle isoterme, " spiega Ng. "Gli scienziati dei materiali dovrebbero essere in grado di utilizzare tecniche come l'acidificazione per espandere le dimensioni dei pori nelle strutture metallo-organiche e spostare la loro distribuzione di energia per aumentare l'assorbimento".
