È un sogno a lungo accarezzato:rimuovere l'anidride carbonica, gas inerte a effetto serra, dall'atmosfera e utilizzarla come materiale di base per l'industria chimica. Ciò potrebbe affrontare contemporaneamente due grandi problemi, contenendo il cambiamento climatico e riducendo al tempo stesso la dipendenza dal petrolio. I fisico-chimici dell'Università di Bonn stanno dando un contributo significativo a questa visione. Hanno scoperto un nuovo modo per creare una forma altamente reattiva di anidride carbonica con l'aiuto di impulsi laser. I risultati sono stati pubblicati online in anticipo e saranno presto presentati nell'edizione cartacea della rivista Angewandte Chemie .
Ogni giorno, la natura mostra all'uomo come legare elegantemente l'anidride carbonica dall'aria e trasformarla in una materia prima tanto necessaria. Le piante eseguono la fotosintesi con le loro foglie verdi quando esposte alla luce. L'ossigeno e l'energia necessaria e lo zucchero, fornitore di sostanze nutritive, vengono creati dall'anidride carbonica e dall'acqua con l'aiuto della luce solare.
"Gli scienziati si sforzano di imitare questo modello da molto tempo, ad esempio per utilizzare l'anidride carbonica per l'industria chimica, " afferma il prof. Dr. Peter Vöhringer dell'Istituto di chimica fisica e teorica dell'Università di Bonn. Ciò che rende il concetto difficile da implementare è che è molto difficile spingere l'anidride carbonica in nuove partnership con altre molecole.
Con la sua squadra, il fisico-chimico ha ora scoperto un nuovo modo di generare una variante altamente reattiva del gas serra inerte e difficile da legare. I ricercatori hanno utilizzato un cosiddetto complesso di ferro:il centro contiene un atomo di ferro caricato positivamente, a cui i costituenti dell'anidride carbonica sono già legati più volte. Gli scienziati hanno sparato impulsi laser ultracorti di luce ultravioletta su questo complesso di ferro, che ha rotto certi legami. Il prodotto risultante era un cosiddetto radicale di anidride carbonica, che forma anche nuovi legami con una certa radicalità.
Tali radicali hanno un singolo elettrone nel loro guscio esterno che vuole legarsi urgentemente in modo permanente a un'altra molecola o atomo. "È questo elettrone spaiato che distingue il nostro anione radicale reattivo legato all'atomo di ferro centrale dall'anidride carbonica inerte e lo rende così promettente per i processi chimici, " spiega l'autore principale Steffen Straub del team di Vöhringer. I radicali potrebbero a loro volta essere i mattoni per prodotti chimici interessanti, come il metanolo come combustibile o l'urea per le sintesi chimiche e l'acido salicilico come antidolorifico.
Lo spettrometro mostra le molecole al lavoro
Con il loro spettrometro laser e infrarosso, un grande apparato nel seminterrato dell'istituto, gli scienziati osservano le molecole all'opera. Lo spettrometro misura le vibrazioni caratteristiche delle molecole, e questa "impronta digitale" consente loro di identificare i legami tra i diversi atomi. "La formazione del radicale di anidride carbonica all'interno del complesso del ferro cambia i legami tra gli atomi, che riduce la frequenza della vibrazione caratteristica dell'anidride carbonica, " spiega Straub.
Con istinto forense, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare che gli impulsi laser producono davvero il radicale reattivo dell'anidride carbonica. Primo, il team ha simulato gli spettri vibrazionali delle molecole sul computer, quindi confrontato i calcoli con le misurazioni. Il risultato:simulazione ed esperimento sono stati davvero un'ottima combinazione. Come un "film molecolare, lo spettrometro ha scattato "istantanee" nell'inimmaginabile risoluzione temporale di milionesimi di miliardesimo di secondo. Sulla base degli spettri, che corrispondono alle singole immagini di un film, si può così rivelare, essenzialmente al rallentatore, come il complesso del ferro si deforma sotto l'illuminazione laser pulsata in più fasi, i legami si sciolgono e finalmente si forma il radicale.
"I nostri risultati hanno il potenziale per cambiare radicalmente le idee su come estrarre il biossido di carbonio del gas serra dall'atmosfera e usarlo per produrre importanti prodotti chimici, " dice Vöhringer. Tuttavia, catalizzatori adatti dovrebbero ancora essere sviluppati per l'uso industriale perché gli impulsi laser non sono efficienti per la conversione su larga scala. "Ciò nonostante, i nostri risultati forniscono indizi su come un tale catalizzatore dovrebbe essere progettato, " aggiunge lo scienziato. L'attuale studio si adatta alle aree di profilo chiave multidisciplinare sulla sostenibilità e sulla ricerca sulla materia presso l'Università di Bonn.
