La plastica è ovunque intorno a noi:costituiscono le nostre bottiglie d'acqua, sacchetti della spazzatura, materiali da imballaggio, giocattoli, contenitori, e altro ancora. Ogni anno nel mondo vengono prodotte circa 300 milioni di tonnellate di plastica, tuttavia i dettagli di ciò che accade su scala atomica durante il processo di produzione della plastica non sono ancora chiari.

Ora, una nuova tecnica sviluppata dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE, in collaborazione con Dow e Eindhoven University of Technology nei Paesi Bassi, fornisce dettagli a risoluzione atomica sul cloruro di magnesio, un materiale coinvolto nella produzione della plastica più comune, polietilene e potrebbe aiutare a creare un percorso verso la plastica sostenibile. I loro risultati sono stati riportati in Materiali funzionali avanzati .

I ricercatori hanno utilizzato fasci di elettroni pulsati in un microscopio elettronico per produrre immagini uniche del loro genere di cloruro di magnesio. Un fascio di elettroni continuo danneggia rapidamente questo delicato, materiale sensibile al raggio, ma la nuova tecnica ha permesso ai ricercatori di studiarla senza danni.

"Se 10 anni fa mi avessi chiesto se potevamo usare fasci di elettroni pulsati per ottenere immagini di materiali sensibili al fascio con risoluzione atomica, non ci avrei creduto, "ha detto Christian Kisielowski, autore principale dello studio e scienziato del personale presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, una struttura per utenti scientifici su nanoscala. "Ora è possibile, e ci ha permesso di studiare un materiale importante per l'industria delle materie plastiche."

Kisielowski ha aggiunto che questo è un punto di svolta per l'imaging di una vasta gamma di materiali che normalmente sono danneggiati all'interno di un microscopio elettronico. Oltre al cloruro di magnesio, Per esempio, i fasci di elettroni pulsati potrebbero anche essere usati per studiare le membrane morbide e le plastiche in generale.

Puntare su un nuovo percorso verso la plastica sostenibile

Sebbene il cloruro di magnesio sia ampiamente utilizzato come struttura di supporto per i catalizzatori (materiali che accelerano le reazioni) utilizzati per produrre materie plastiche, il modo esatto in cui funziona rimane un mistero. Le immagini su scala atomica del cloruro di magnesio aiuterebbero a chiarire il suo ruolo nella produzione di materie plastiche e potrebbero aiutare a spianare la strada a materie plastiche più specializzate e sostenibili.

Sfortunatamente, precedenti tentativi di imaging di questo materiale critico sono stati difficili perché il cloruro di magnesio può esistere in due tipi di strutture cristalline che hanno disposizioni atomiche leggermente diverse. "Il fascio di elettroni stesso influenza la struttura del materiale, rendendo difficile interpretare quale struttura viene rappresentata, " ha detto Kisielowski. "Lavorando con i nostri collaboratori, siamo stati in grado di scoprire diverse interazioni."

Il team del Berkeley Lab ha collaborato con la Eindhoven University of Technology e Dow per sviluppare una tecnica che fornisce impulsi periodici di elettroni invece di un fascio di elettroni continuo per l'immagine del cloruro di magnesio. Usando un microscopio elettronico modificato a Eindhoven, i ricercatori hanno scoperto che facendo pulsare il fascio di elettroni come una luce stroboscopica estremamente veloce con un impulso ogni 160 picosecondi (1 picosecondo è un trilionesimo di secondo), il materiale può essenzialmente "guarirsi" tra gli impulsi.

È stato ben compreso che i campioni vengono danneggiati in un microscopio elettronico quando gli atomi vengono spostati fuori posizione o le molecole vengono divise in particelle più piccole. Attraverso questo studio, i ricercatori hanno appreso che l'accumulo di vibrazioni atomiche causate dal fascio di elettroni è altrettanto importante. Facendo pulsare il raggio a tempo con queste vibrazioni, i ricercatori hanno preservato la struttura atomica originale del materiale e hanno rivelato che fogli di cloruro di magnesio si impilano uno sopra l'altro in una disposizione irregolare come una pila casuale di libri, che lo distingue dagli altri materiali.

Un altro problema che altri ricercatori hanno affrontato durante l'imaging del cloruro di magnesio è che quando il materiale è esposto all'aria, cambia sia nel contenuto chimico che nella struttura cristallina (il modo in cui i suoi atomi sono disposti nello spazio). Ma quando si utilizzano tecniche convenzionali di microscopia elettronica, il campione viene esposto all'aria mentre viene trasferito al microscopio.

Quando nuove soluzioni diventano cristalline

Kisielowski ha notato che attraverso la loro collaborazione con Dow, sono stati in grado di ridurre al minimo l'esposizione del materiale all'aria prima di inserirlo nel microscopio utilizzando uno speciale supporto sigillato sottovuoto. "I nostri colleghi di Dow ci hanno insegnato come maneggiare materiali sensibili all'aria, e questo era un elemento chiave di tutta questa faccenda, " ha detto Kisielowski. "Siamo esperti nel controllo del fascio di elettroni, che è altrettanto importante. È stata una collaborazione di dare e avere".

"Storicamente, è stato difficile ottenere una comprensione a livello atomico del cloruro di magnesio, " ha detto David Yancey, collaboratore Dow del progetto, aggiungendo che lo stretto rapporto di Dow con Berkeley Lab ha permesso loro di applicare l'esperienza di microscopia della fonderia per risolvere questo problema impegnativo.

Collaborando insieme, i ricercatori di Berkeley Lab e Dow possono affrontare questioni scientifiche fondamentali che sono alla radice di difficili problemi industriali. "La partnership istituzionale sta aprendo nuove strade per la ricerca futura, " disse Horst Simon, Vicedirettore per la ricerca del Berkeley Lab. "Rivolgendosi a questi grandi, domande fondamentali porteranno a benefici di vasta portata in tutta la scienza, industria, e l'economia nazionale».

Ora che i ricercatori possono visualizzare i catalizzatori per la produzione di plastica a risoluzione atomica, si sposteranno verso lo studio delle relazioni tra queste strutture e le proprietà delle materie plastiche, aprendo la strada a materie plastiche più specializzate e sostenibili.

"Sappiamo già che dobbiamo cambiare il modo in cui trattiamo la plastica nel mondo, " disse Petra Specht, secondo autore dello studio e ricercatore nel dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali dell'Università di Berkeley. "Se vuoi fare dei cambiamenti, devi sapere come funziona il processo. Auspicabilmente, la nostra nuova tecnica ci aiuterà ad avere una migliore comprensione di come si formano le materie plastiche, e come possiamo realizzare materiali più sostenibili, " lei ha aggiunto.