Queste particelle a forma di rombo stanno scansionando micrografie elettroniche di una struttura metallica organica, chiamato ZIF-8, sintetizzato in anidride carbonica supercritica (scCO2). I ricercatori del PNNL hanno riferito che scCO2, un importante solvente commerciale e industriale, potrebbe suonare una chiave, ruolo ecologico nella sintesi di strutture metallo-organiche. Credito:Pacific Northwest National Laboratory
Molto prima che la dimetilformammide (DMF) fallisse il test del giocattolo morbido, i chimici hanno sollevato preoccupazioni circa il suo utilizzo come solvente nella costruzione di strutture metallo-organiche (MOF).
Il Ministero dell'Ambiente e dell'Alimentazione della Danimarca ha dichiarato nel giugno 2018 che il DMF era tra le tre sostanze chimiche tossiche presenti nei giocattoli. Poco dopo, i giocattoli sono stati presi dagli scaffali dei negozi danesi.
Quando si trattava di MOF (nanomateriali porosi con un'ampia gamma di applicazioni) i chimici hanno cercato metodi rispettosi dell'ambiente per la sintesi di MOF, seguendo l'adagio di "benign by design". Il DMF è utilizzato come solvente nelle reazioni di preparazione del MOF e non è stato all'altezza di tale standard.
"Ci sono molti rifiuti generati in quei solventi, e lo smaltimento può essere un vero problema, " ha detto Michael A. Sinnwell, un postdottorato PNNL.
Sinnwell, Lo scienziato dei materiali PNNL Praveen Thallapally, e colleghi hanno studiato un modo più ecologico per sintetizzare i MOF.
"Le persone che vogliono realizzare MOF su larga scala—imprese commerciali, ad esempio, vuoi farlo utilizzando i principi della produzione verde, " Ha detto Sinnwell. "Il DMF è ancora il solvente più comune utilizzato oggi principalmente a causa dei risultati prevedibili nella composizione, dimensione, e forma dei MOF finali. Così, se saranno implementati metodi sostenibili, questi fattori noti per avere un impatto sulle prestazioni devono essere controllati".
Un altro ruolo per un prodotto chimico versatile
Negli esperimenti è stato utilizzato uno strumento di diffrazione dei raggi X.
Anidride carbonica supercritica (scCO 2 ), è un importante solvente commerciale e industriale. E potrebbe sostituire DMF nella sintesi MOF.
Sinnwell è l'autore principale di uno studio pubblicato questa primavera sulla rivista ChemSusChem, che ha sostenuto l'uso di scCO 2 nella sintesi dei MOF per la sua efficacia come alternativa ecologica.
"Incarnato nei principi della chimica verde è la necessità di progettare processi chimici rispettosi dell'ambiente, che utilizzano in modo efficiente le risorse rinnovabili, evitare reagenti tossici e pericolosi, e ridurre al minimo l'uso di solventi idrocarburici volatili durante lo sviluppo di reazioni chimiche, "Sinnwell scrive nello studio. "In effetti, una mentalità benigna dal design ha motivato l'adozione di alternative solventi non convenzionali per i processi chimici che richiedono un 'liquido'".
I materiali utilizzati e realizzati in anidride carbonica supercritica:ossido di zinco e ZIF-8. Credito:Pacific Northwest National Laboratory
Un supporto MOF super promettente
Gli autori corrispondenti Sinnwell e Thallapally hanno riunito un team di esperti in tutto il PNNL per dimostrare che scCO 2 è un mezzo promettente per la costruzione di MOF.
Il team di ricerca ha monitorato la scCO 2 sintesi di ZIF-8, un MOF commercialmente rilevante, in tempo reale. Nello specifico, hanno usato la diffrazione dei raggi X in situ, microscopia, e simulazioni per fornire uno studio sistematico dei processi di nucleazione e crescita. I ricercatori hanno valutato gli impatti che i modelli sacrificali, tempo di reazione, densità, e la temperatura hanno sulla composizione, dimensione, e morfologia.
I risultati mostrano che la morfologia del modello e il tempo di reazione, entrambi i fattori controllabili, influenzare la porosità gerarchica e la morfologia dei compositi ZIF-8 e ZIF-8. Sinnwell ha affermato che i risultati forniscono un percorso verso l'ingegneria di materiali mirati utilizzando metodi basati sulla teoria scientifica e sull'esperimento. "Vale la pena perseguire metodi sostenibili ed economici per realizzare materiali avanzati, " ha detto Sinnwell. "In questo documento, abbiamo osservato, in tempo reale, la formazione "verde" di un promettente materiale adsorbente nella CO . supercritica 2 . Condizioni come la temperatura, le dimensioni o la forma delle sostanze chimiche di partenza possono fare una grande differenza sul prodotto finale".
