Il materiale appena visibile che assomiglia a minuscoli granelli di sabbia potrebbe essere la chiave per rimuovere una minaccia invisibile per la salute che ha contaminato le riserve idriche in tutto il paese. I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno testato con successo materiali altamente porosi e hanno scoperto che possono assorbire componenti chiave di una classe di sostanze chimiche tossiche presenti in 43 stati.

Gli scienziati dei materiali del PNNL sono esperti nell'ottimizzazione di strutture metalliche organiche o MOF. Questi materiali porosi di dimensioni nanometriche, con centri in metallo, può attrarre, presa, e poi rilasciare sostanze chimiche specifiche. I ricercatori del PNNL hanno recentemente dimostrato un MOF che assorbe rapidamente i composti fluorurati ampiamente utilizzati nella schiuma antincendio e nelle pentole antiaderenti.

Queste sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS) resistono a grasso e acqua, quindi sono stati utilizzati in alcuni imballaggi alimentari, tessuti e tappeti antimacchia, e cosmetici. La contaminazione dell'acqua potabile è tipicamente associata a una struttura specifica come un impianto di produzione o una base militare. I PFAS non si decompongono nell'ambiente o nei corpi umani.

Secondo i Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie, sono necessarie ulteriori ricerche sugli effetti sulla salute, ma alcuni studi sull'uomo hanno dimostrato che una certa esposizione può influenzare la crescita, apprendimento, e comportamento dei neonati e dei bambini più grandi, ridurre la possibilità di una donna di rimanere incinta, interferire con gli ormoni naturali del corpo, aumentare i livelli di colesterolo, influenzare il sistema immunitario, e aumentare il rischio di cancro.

L'Agenzia per la protezione dell'ambiente consiglia di limitare la concentrazione nell'acqua potabile a 70 parti per trilione per due dei composti più comuni della classe:il perfluoroottansolfonato (PFOS) e l'acido perfluoroottanoico (PFOA).

Rete contaminante fuori dall'acqua

Con oltre 20 anni di esperienza di lavoro con MOF, il team di ricerca del PNNL si è basato su ricerche passate e ha ipotizzato che un MOF con le giuste caratteristiche potesse adsorbire PFOS dall'acqua.

"Siamo entusiasti di trovare un MOF che ha mostrato eccellenti capacità di acquisizione ad alte concentrazioni di PFOS, " disse Radha Motkuri, che guida il team di sviluppo dei materiali. "Abbiamo iniziato con due candidati MOF, uno con un centro in ferro e un altro con cromo. Le strutture interne agiscono come piccoli "ganci" metallici che consentono al materiale di trattenere i composti PFAS".

Entrambi i MOF hanno funzionato molto meglio della tecnologia esistente, che consiste principalmente di filtri a carboni attivi granulari. Ma nei test di laboratorio riportati di recente in Chimica inorganica , il MOF a base di cromo aveva un tasso di cattura estremamente veloce, probabilmente a causa dei suoi pori uniformi, siti assorbenti altamente attivi, e canali interni.

Catturare e rilasciare

"C'è un'affinità chimica molto elevata con il cromo che attrae il gruppo di testa di zolfo e la coda di fluoro su PFOS, come osservato dalle nostre misurazioni di spettroscopia fotoelettronica a raggi X, " ha detto l'autore corrispondente Dev Chatterjee. "Questo è uno dei motivi per cui funziona così bene rispetto ai filtri a carbone attivo esistenti".

Sia i MOF a base di cromo che quelli a base di ferro sono stabili in acqua. Questo è importante perché possono essere sciacquati con acqua dolce per rimuovere il PFOS, inoltre i ricercatori stimano che il materiale possa essere riutilizzato fino a centinaia di volte.

I MOF possono essere pensati come una rete metallica, piuttosto come una rete da pesca, che raccoglie PFOS lasciando passare altre molecole in base a parametri specifici.

"È la capacità di personalizzare caratteristiche come la dimensione dei pori, siti attivi, l'orientamento e l'interazione MOF-chimica che rendono l'esperienza del team PNNL nei MOF così preziosa." ha affermato Jennifer Lee, Responsabile commerciale PNNL. "Ciò significa che altri MOF possono essere modificati per molti contaminanti e usi aggiuntivi".

Risultati assorbenti

Per osservare lo spettacolo, PFOS è stato combinato indipendentemente in fiale da 5 millimetri con il ferro MOF, il cromo MOF, o il carbone attivo granulare in uno spettrometro estremamente sensibile che ha mostrato la concentrazione di PFOS nel tempo. Il MOF a base di cromo ha assorbito quasi completamente il contaminante in pochi secondi. C'era poca o nessuna riduzione quando si utilizzava il carbone attivo disponibile in commercio.

"L'acqua pura e pulita è così importante per tutta l'umanità, ", ha detto Motkuri. "Prevediamo un sistema dispiegabile sul campo in cui un giorno l'acqua scorrerà, i contaminanti sarebbero catturati dal MOF, e uscirebbe acqua pulita».

Chatterjee e il resto del team stanno sviluppando un sensore elettrochimico basato su MOF in attesa di brevetto che rileverebbe i livelli di ultratracce di contaminazione da PFAS e aiuterebbe anche a guidare le operazioni di pulizia.

Le analisi di risonanza magnetica nucleare e spettrometro fotoelettronico a raggi X sono state condotte presso l'EMSL, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE al PNNL.