Un team di ricercatori energetici dell'Università del Minnesota e dell'Università del Massachusetts Amherst ha scoperto che il movimento molecolare può essere previsto con elevata precisione quando si confinano le molecole in piccole nanogabbie. Il loro metodo teorico è adatto per lo screening di milioni di possibili nanomateriali e potrebbe migliorare la produzione di combustibili e prodotti chimici.

La ricerca è pubblicata online in Scienze Centrali ACS , una delle principali riviste ad accesso aperto dell'American Chemical Society.

Le molecole nell'aria sono libere di muoversi, vibrare e ruzzolare, ma li confinano in piccoli nanotubi o cavità e perdono molto movimento. La perdita totale in movimento ha grandi implicazioni per la capacità di catturare CO2 dall'aria, convertire le molecole di biomassa in biocarburanti, o per separare il gas naturale, tutti utilizzano nanomateriali con tubi e pori piccoli.

I ricercatori del Centro di catalisi per l'innovazione energetica con sede presso l'Università del Delaware sono arrivati ​​alla svolta quando hanno pensato di spremere le molecole in spazi ristretti. Nell'aria, le molecole possono salire, fuori uso, e nello spazio (tre dimensioni), ma in un nanotubo non era chiaro se le molecole potessero muoversi solo in una direzione (attraverso il tubo) o in due direzioni (sulla superficie del tubo). Allo stesso modo, le molecole possono ruotare e ruotare in tre modi, ma i bordi del tubo possono impedire in parte o tutto questo movimento. La quantità di rotazione persa era la quantità sconosciuta.

"Il nostro approccio è stato quello di separare il ribaltamento molecolare e la rotazione dal movimento in posizione, "ha detto Omar Abdelrahman, un coautore dello studio che è un assistente professore di ingegneria chimica dell'Università del Massachusetts Amherst e ricercatore del Centro di catalisi per l'innovazione energetica. "Abbiamo scoperto che tutte le molecole quando vengono messe in nano-gabbie perdono la stessa quantità di movimento in posizione, ma la quantità di rotazione e rotazione dipendeva molto dalla struttura della nano-gabbia".

Il team ha collegato il movimento molecolare alla quantità di entropia, che combina tutti gli aspetti del movimento molecolare in un unico numero. Le molecole perdono diverse quantità di entropia quando accedono all'interno di spazi nanoporosi, ma non è stato chiaro come la struttura di quei nanospazi abbia influenzato il cambiamento di movimento e la perdita di entropia.

"Potrebbe sembrare esoterico, ma i cambiamenti di entropia delle molecole dovuti a limitazioni di rotazione e movimento in posizione all'interno dei nanopori decidono se i nanomateriali funzioneranno per migliaia di tecnologie energetiche e di separazione, " ha detto Paul Dauenhauer, un coautore dello studio, professore associato di ingegneria chimica e scienze dei materiali dell'Università del Minnesota e ricercatore del Catalysis Center for Energy Innovation.

"Se possiamo prevedere il movimento molecolare e l'entropia delle molecole, quindi possiamo determinare rapidamente se i nanomateriali avanzati risolveranno le nostre sfide energetiche più urgenti, " Ha aggiunto Dauenhauer.

La capacità di prevedere l'entropia e il movimento molecolare è collegata al recente boom delle nanotecnologie. Nell'ultimo decennio, la ricerca sui nanomateriali ha sviluppato milioni di nuove tecnologie in grado di afferrare, separare e reagire gli idrocarburi dal gas naturale e dalla biomassa. Però, ognuno di queste migliaia di nanomateriali ha una dimensione e una forma diverse, ed è stato troppo costoso e dispendioso in termini di tempo testare questi nanomateriali avanzati uno per uno.

"Questa scoperta apre davvero la porta alla previsione di quali nanomateriali rappresenteranno la svolta del futuro, " disse Dionisios Vlachos, il direttore del Centro di catalisi per l'innovazione energetica e professore dell'Università del Delaware. "Abbiamo inventato più materiali al computer di quanti ne potremo mai testare, e ora possiamo determinare rapidamente sul computer se questi funzioneranno per le nostre esigenze energetiche e di separazione".

L'attenzione sulla previsione del movimento molecolare nei nanomateriali si basa sull'attenzione del Centro di catalisi per l'innovazione energetica sulla progettazione di catalizzatori per convertire gli idrocarburi derivati ​​dalla biomassa in biocarburanti e sostanze biochimiche. Il team ha recentemente scoperto una nuova classe di nanomateriali chiamata "SPP" o "pentasil autocolonnati, " che sono nanomateriali di zeolite per reagire e separare gli idrocarburi. SPP e altre nanostrutture sono stati anche i materiali chiave nella scoperta di processi chimici per produrre plastica rinnovabile per bottiglie di soda e gomma rinnovabile per pneumatici di automobili.

La scoperta di un'equazione per prevedere il movimento molecolare nei nanomateriali fa parte di una missione più ampia del Centro di catalisi per l'innovazione energetica, un Centro di ricerca di frontiera dell'energia-energia degli Stati Uniti, guidato dall'Università del Delaware. Avviato nel 2009, il Centro di catalisi per l'innovazione energetica si è concentrato sulla tecnologia catalitica di trasformazione per produrre prodotti chimici e biocarburanti rinnovabili da biomasse lignocellulosiche (non alimentari).