Rappresentazione simbolica di come la dispersione di una plastica può essere controllata miscelando due catalizzatori (tubi di vernice). Credito:Whitfield R et al, chimica, 2020
I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato un nuovo metodo per produrre polimeri con lunghezze diverse. Ciò apre la strada a nuove classi di materiali polimerici da utilizzare in applicazioni precedentemente impensabili.
È difficile immaginare la vita di tutti i giorni senza materiali realizzati con polimeri sintetici. Vestiti, ricambi auto, computer o imballaggi:sono tutti costituiti da materiali polimerici. Molti polimeri sono presenti in natura, pure, come DNA o proteine.
I polimeri sono costruiti su un'architettura universale:sono composti da blocchi di base chiamati monomeri. La sintesi del polimero comporta il collegamento di monomeri insieme per formare lunghe catene. Immagina di infilare perline di vetro su un filo e creare catene di diversa lunghezza (e peso).
Processi di polimerizzazione con limiti
Un importante processo industriale per la produzione di polimeri è la polimerizzazione a radicali liberi (FRP). Ogni anno l'industria chimica utilizza il FRP per produrre 200 milioni di tonnellate di polimeri di vario tipo, come il poliacrilico, cloruro di polivinile (PVC) e polistirene.
Sebbene questo metodo di produzione abbia molti vantaggi, ha anche i suoi limiti. FRP produce una miscela incontrollabile di innumerevoli polimeri di diverse lunghezze; in altre parole, la sua dispersione è elevata. La dispersione è una misura di quanto sia uniforme o non uniforme la lunghezza delle catene polimeriche in un materiale. Le proprietà del materiale sono determinate in larga misura da questa dispersione.
Nel caso dei polimeri di uso quotidiano, sono richiesti polimeri sia a bassa che ad alta dispersione. Infatti, per molte applicazioni high-tech tra cui prodotti farmaceutici o stampa 3D, un'elevata dispersione può anche essere un vantaggio.
Il rapporto di miscelazione dei due catalizzatori (verde e rosso) determina la dispersione dei polimeri. Credito:ETH Zurigo
Polimeri con nuove proprietà
Però, se i chimici vogliono produrre materiali polimerici con proprietà molto specifiche, devono prima di tutto essere in grado di regolare la dispersione come desiderato. Ciò consente loro di produrre una vasta gamma di materiali polimerici che contengono specie polimeriche uniformi, cioè hanno una bassa dispersione, oppure sono altamente dispersi con un gran numero di polimeri di diversa lunghezza. Fino ad ora, questo è stato difficilmente possibile.
Un gruppo di ricercatori guidati da Athina Anastasaki, Professore di Materiali Polimerici presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali, ha ora sviluppato un metodo per controllare la polimerizzazione radicalica, consentendo così ai ricercatori di controllare sistematicamente e completamente la dispersione dei materiali polimerici. I risultati della loro ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista chimica .
Nel passato, per poter controllare almeno in parte il processo di polimerizzazione radicalica, i chimici userebbero un solo catalizzatore. Sebbene ciò garantisca che le catene polimeriche risultanti diventino uniformemente lunghe, non consente di controllare la dispersione complessiva come desiderato.
Due catalizzatori fanno il trucco
Ora i ricercatori dell'ETH impiegano contemporaneamente due catalizzatori con effetti diversi:uno è altamente attivo, l'altro solo leggermente attivo. Ciò ha permesso loro di regolare la dispersione proprio in funzione del rapporto in cui hanno miscelato i due catalizzatori. Se il catalizzatore più attivo fosse più abbondante, sono stati prodotti polimeri più uniformi, il che significava che il materiale risultante aveva una bassa dispersione. Se, però, il catalizzatore meno attivo era più abbondante, si è formato un gran numero di diverse molecole polimeriche.
Questo lavoro significa che Anastasaki e il suo team hanno creato una base per lo sviluppo di nuovi materiali polimerici. Inoltre, anche il loro processo è scalabile; funziona non solo in laboratorio, ma anche quando applicato a maggiori quantità di sostanze. Un altro vantaggio di questo metodo è che anche i polimeri con elevata dispersione possono continuare a crescere una volta completato il processo di polimerizzazione stesso, cosa che in precedenza era considerata impossibile.
L'elevata efficienza e scalabilità dell'approccio hanno già attirato l'interesse dell'industria. I polimeri prodotti con il nuovo processo potrebbero essere utilizzati in medicina, vaccini, cosmetici o stampa 3D.
