Cambia il volto delle nanoparticelle e dominerai la chimica! A seconda dell'illuminazione, le superfici di nanoparticelle opportunamente realizzate possono cambiare la loro topografia. I ricercatori dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze hanno dimostrato che il meccanismo molecolare da loro progettato consente di scoprire o nascondere efficacemente le molecole di catalizzatore usando la luce. La tecnica che presentano porta a possibilità qualitativamente nuove per controllare il corso delle reazioni chimiche.

Utilizzando nanoparticelle con superfici che cambiano aspetto sotto l'influenza della luce, è possibile controllare facilmente e con precisione il corso di praticamente qualsiasi reazione chimica catalitica, compresi quelli con molte fasi. Un elemento chiave della nuova tecnica, sviluppato e dimostrato dai ricercatori dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) di Varsavia, è il meccanismo di mascheramento geometrico dei centri di catalizzatori attivi sulle superfici delle nanoparticelle. Questa classe di nuovi, materiali intelligenti fatti di materia morbida e dura, descritto nella prestigiosa rivista di chimica Catalisi ACS , preannuncia un cambiamento qualitativo nel campo delle reazioni catalitiche industriali ed è una tappa importante nella progettazione di sistemi chimici che mimano le caratteristiche più importanti degli organismi viventi.

Un catalizzatore è una sostanza che provoca una reazione tra specifici composti chimici, partecipandovi attivamente e tornando in gran parte al suo stato originale dopo il suo completamento. Oggi, i catalizzatori sono generalmente progettati per ottimizzare le reazioni catalizzate e ridurre il consumo di catalizzatore. Si presta attenzione, tra gli altri, alla loro selettività, questo è, la loro capacità di accelerare uno, reazione scelta con precisione. Però, non c'è un grande controllo sui catalizzatori costruiti in questo modo. Dopo l'introduzione nella soluzione, di solito funzionano immediatamente fino all'arresto della reazione.

Uno degli strumenti più convenienti che possono essere utilizzati per influenzare i composti chimici nelle soluzioni sono le onde luminose con energie adatte alle proprietà del particolare sistema. La luce può essere facilmente introdotta nell'intero volume del liquido, ed in generale non interferisce con il corso delle reazioni catalitiche stesse. Ora, risulta che il sistema chimico può essere progettato in modo che, a seconda dell'illuminazione, catalizza o non catalizza varie reazioni chimiche.

Il concetto di controllo della luce dell'attività del catalizzatore, proposto dai chimici dell'IPC PAS, è più facilmente comprensibile facendo un'analogia con i girasoli. Queste sono piante con lunghi, steli rigidi, alla fine del quale c'è un pesante cesto con i semi. Durante il giorno, la testa del girasole è sempre rivolta verso la luce, questo è, verso l'alto, permettendogli di attirare insetti e uccelli. Quando cala la notte, però, la testa non si arriccia come gli altri fiori. Alla sua base, lo stelo si piega appena, il cesto cade e l'intera infiorescenza cessa di essere accessibile.

"Il nostro complesso molecolare chiave si comporta come i girasoli, solo su scala molecolare. Il terreno su cui crescono i nostri 'girasoli' è la nanoparticella d'oro, lo stelo, una lunga molecola di ligando organico, il frammento piegato, un fotointerruttore che cambia forma sotto l'influenza della luce. Il cesto è il catalizzatore stesso. L'unica differenza è che i nostri "girasoli" sono un po'... timidi. Nascondono le loro teste catalitiche quando intorno a loro diventa luminoso e le sollevano quando è buio, " spiega il dottor Volodymyr Sashuk (IPC PAS).

Negli ultimi anni, gli scienziati dell'IPC PAS non solo hanno sviluppato il concetto di un metodo innovativo per controllare la catalisi, ma anche testato in pratica, costruire un vero, sistema chimico modello. È stato costruito utilizzando nanoparticelle d'oro con dimensioni di tre nanometri e uno dei catalizzatori più semplici:un amminoacido chiamato prolina. Il metodo stesso, però, non impone alcuna restrizione specifica, quindi potenzialmente può essere utilizzato qualsiasi altro catalizzatore, trasformandolo funzionalmente in una variante la cui attività è controllata per mezzo della luce.

"La produzione di nanoparticelle rivestite con ligandi con particelle di catalizzatore attaccate non è particolarmente difficile, lo fa, però, richiedono una certa cura e attenzione. Per esempio, le proporzioni tra il numero di ligandi con una molecola di catalizzatore e il numero di ligandi senza di essa sono importanti. Se ci sono troppi ligandi vuoti, le molecole del catalizzatore non avranno un posto dove nascondersi fisicamente, e possiamo dimenticare il controllo, " dice la dottoranda Magdalena Szewczyk (IPC PAS).

Le nanoparticelle controllate dalla luce che catalizzano le reazioni chimiche promettono una nuova fase nello sviluppo della catalisi. Finora, le reazioni catalitiche sono state tipicamente condotte in un'unica soluzione contenente i substrati necessari ed un solo catalizzatore. Ora, stanno emergendo nuove opportunità. potenzialmente, la stessa soluzione può contenere substrati per reazioni catalitiche multistadio e una gamma di catalizzatori, ciascuno attivato con la luce al momento opportuno. Di conseguenza, reazioni di diversi componenti che producono le sostanze chimiche necessarie nelle fasi successive di un processo tecnologico, in cui la nuova reazione sarebbe innescata dopo che le precedenti reazioni sono state fermate, potrebbe avvenire in una nave alla volta. Ma questi non sono gli unici vantaggi della nuova soluzione.

"Fino ad ora, dopo la reazione i chimici sono stati lasciati con una soluzione contenente sia il prodotto che il catalizzatore. La rimozione di quest'ultimo era spesso associata alla necessità di sviluppare ulteriori passaggi tecnologici. Nel nostro metodo, il catalizzatore si deposita su nanoparticelle. potenzialmente, queste particelle possono essere regolate in modo che reagiscano, Per esempio, ad un campo magnetico. Dopo aver completato la reazione, sarebbe sufficiente attirare le nanoparticelle sul fondo del recipiente, dove potrebbero essere facilmente separati dal prodotto stesso, " nota il dottorando Grzegorz Sobczak (IPC PAS).

Il futuro del multistadio, la catalisi precisamente controllata dalla luce promette di essere interessante. Le miscele multicomponente di nuova generazione potrebbero, Per esempio, indurire solo su richiesta dell'utente, così sarebbe possibile riempire tutti i tipi di stampi, forme anche molto complesse, più accuratamente. Una soluzione popolare sarà probabilmente costituita da convenienti adesivi polimerici multicomponente, immediatamente consegnato in un misto, forma pronta da spalmare. Queste sono solo alcune delle idee prese in considerazione oggi. I ricercatori dell'IPC PAS sono ancora alla ricerca di idee su come il loro concetto potrebbe tradursi in applicazioni specifiche.