Un materiale filtrante innovativo potrebbe presto ridurre il costo ambientale della produzione della plastica. Creato da un team di scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST), il progresso può estrarre l'ingrediente chiave nella forma più comune di plastica da una miscela di altre sostanze chimiche, consumando molta meno energia del solito.

Il materiale è una struttura metallo-organica (MOF), una classe di sostanze che hanno più volte dimostrato la capacità di separare i singoli idrocarburi dal brodo di molecole organiche prodotto dai processi di raffinazione del petrolio. I MOF hanno un valore immenso per le industrie della plastica e del petrolio a causa di questa capacità, che potrebbe consentire ai produttori di eseguire queste separazioni in modo molto più economico rispetto alle tecniche standard di raffinazione del petrolio.

Questa promessa ha reso i MOF oggetto di intensi studi al NIST e altrove, portando a MOF che possono separare diversi ottani di benzina e accelerare reazioni chimiche complesse. Uno degli obiettivi principali si è rivelato sfuggente, però:un metodo industrialmente preferito per strizzare l'etilene, la molecola necessaria per creare il polietilene, la plastica utilizzata per realizzare borse della spesa e altri contenitori di uso quotidiano.

Però, nel numero di oggi della rivista Scienza , il team di ricerca rivela che una modifica a un MOF ben studiato consente di separare l'etilene purificato da una miscela con l'etano. La creazione del team, realizzata presso l'Università del Texas a San Antonio (UTSA) e la Taiyuan University of Technology cinese e studiata presso il NIST Center for Neutron Research (NCNR), rappresenta un importante passo avanti per il settore.

Fare la plastica richiede molta energia. polietilene, il tipo più comune di plastica, è fatto di etilene, una delle tante molecole di idrocarburi presenti nella raffinazione del petrolio greggio. L'etilene deve essere altamente purificato affinché il processo di fabbricazione funzioni, ma l'attuale tecnologia industriale per separare l'etilene da tutti gli altri idrocarburi è un processo freddo ma ad alta energia che raffredda il greggio a più di 100 gradi sotto lo zero Celsius.

L'etilene e l'etano costituiscono la maggior parte degli idrocarburi nella miscela, e separare questi due è di gran lunga il passo più dispendioso in termini di energia. Trovare un metodo alternativo di separazione ridurrebbe l'energia necessaria per produrre i 170 milioni di tonnellate di etilene prodotte in tutto il mondo ogni anno.

Gli scienziati hanno cercato per anni un metodo alternativo del genere, e i MOF sembrano promettenti. A livello microscopico, sembrano un po' come un grattacielo di travi e senza muri costruito a metà. Le travi hanno superfici a cui alcune molecole di idrocarburi si attaccheranno saldamente, quindi versare una miscela di due idrocarburi attraverso il MOF giusto può estrarre un tipo di molecola dalla miscela, lasciando emergere l'altro idrocarburo in forma pura.

Il trucco è creare un MOF che permetta il passaggio dell'etilene. Per l'industria delle materie plastiche, questo è stato il punto critico.

"È molto difficile da fare, " disse Wei Zhou, uno scienziato al NCNR. "La maggior parte dei MOF che sono stati studiati si aggrappano all'etilene piuttosto che all'etano. Alcuni di loro hanno persino dimostrato un'eccellente separazione

prestazione, adsorbendo selettivamente l'etilene. Ma da una prospettiva industriale preferiresti fare il contrario, se fattibile. Vuoi adsorbire il sottoprodotto di etano e far passare l'etilene".

Il team di ricerca ha passato anni a cercare di risolvere il problema. Nel 2012, un altro gruppo di ricerca che ha lavorato presso l'NCNR ha scoperto che un particolare framework chiamato MOF-74 era utile per separare una varietà di idrocarburi, compreso l'etilene. Mi è sembrato un buon punto di partenza, e i membri del team hanno perlustrato la letteratura scientifica per ulteriore ispirazione. Un'idea presa dalla biochimica finalmente li ha indirizzati nella giusta direzione.

"Un grande argomento in chimica è trovare modi per rompere il forte legame che si forma tra carbonio e idrogeno, " ha detto il professore dell'UTSA Banglin Chen, che guidava la squadra. "Fare ciò ti consente di creare molti nuovi materiali preziosi. Abbiamo trovato ricerche precedenti che hanno dimostrato che i composti contenenti perossido di ferro potrebbero rompere quel legame".

Il team ha pensato che per rompere il legame in una molecola di idrocarburo, il composto dovrebbe in primo luogo attrarre la molecola. Quando hanno modificato le pareti di MOF-74 per contenere una struttura simile al composto, si è scoperto che la molecola che ha attratto dalla loro miscela era l'etano.

Il team ha portato il MOF all'NCNR per esplorarne la struttura atomica. Utilizzando una tecnica chiamata diffrazione di neutroni, hanno determinato quale parte della superficie del MOF attrae l'etano, un'informazione chiave per spiegare perché la loro innovazione ha avuto successo laddove altri sforzi sono falliti.

"Senza la comprensione fondamentale del meccanismo, nessuno crederebbe ai nostri risultati, " Disse Chen. "Pensiamo anche di poter provare ad aggiungere altri piccoli gruppi alla superficie, magari fare altre cose. È una direzione di ricerca completamente nuova e siamo molto entusiasti".

Mentre Zhou ha affermato che il MOF modificato del team funziona in modo efficiente, potrebbe essere necessario un ulteriore sviluppo per vedere l'azione in una raffineria.

"Abbiamo dimostrato che questo percorso è promettente, "Zhou ha detto, "ma non stiamo sostenendo che i nostri materiali funzionino così bene da non poter essere migliorati. Il nostro obiettivo futuro è aumentare drasticamente la loro selettività. Vale la pena proseguire ulteriormente".