Come fa l'acqua a lasciare una spugna?

In un nuovo studio, gli scienziati rispondono in dettaglio a questa domanda per un poroso, materiale cristallino costituito da metallo e mattoni organici, in particolare, cobalto (II) solfato eptaidrato, acido 5-aminoisoftalico e 4, 4'-bipiridina.

Utilizzando tecniche avanzate, i ricercatori hanno studiato come questa spugna cristallina ha cambiato forma passando da uno stato idratato a uno stato disidratato. Le osservazioni sono state elaborate, permettendo al team di "vedere" quando e come tre singole molecole d'acqua hanno lasciato il materiale mentre si asciugava.

Le spugne cristalline di questo tipo appartengono a una classe di materiali chiamati strutture metallo-organiche (MOF), che hanno un potenziale per applicazioni come l'intrappolamento di inquinanti o lo stoccaggio di carburante a basse pressioni.

"Questo è stato davvero un bel esempio dettagliato dell'utilizzo della diffrazione di raggi X dinamica in situ per studiare la trasformazione di un cristallo MOF, "dice Jason Benedict, dottorato di ricerca, professore associato di chimica presso l'Università del Buffalo College of Arts and Sciences. "Iniziamo una reazione, una disidratazione. Poi la monitoriamo con i raggi X, risoluzione di strutture cristalline, e possiamo effettivamente osservare come questo materiale si trasforma dalla fase completamente idratata alla fase completamente disidratata.

"In questo caso, il cristallo idratato contiene tre molecole d'acqua indipendenti, e la domanda era fondamentalmente, come si passa da tre a zero? Queste molecole d'acqua ne lasciano una alla volta? Se ne vanno tutti in una volta?

"E abbiamo scoperto che quello che succede è che una molecola d'acqua se ne va molto velocemente, che provoca la compressione e la torsione del reticolo cristallino, e le altre due molecole finiscono per andarsene insieme. Escono allo stesso tempo, e questo fa sì che il reticolo si srotoli ma rimanga compresso. Tutto quel movimento che sto descrivendo, non avresti alcuna idea di quel tipo di movimento in assenza di questo tipo di esperimenti che stiamo eseguendo".

La ricerca è stata pubblicata online il 23 giugno sulla rivista Dinamiche strutturali . Benedict ha condotto lo studio con i primi autori Ian M. Walton e Jordan M. Cox, Ph.D. chimica UB. laureati. Anche altri scienziati dell'UB e dell'Università di Chicago hanno contribuito al progetto.

Capire come le strutture dei MOF si trasformano, passo dopo passo, durante processi come la disidratazione è interessante dal punto di vista della scienza di base, Benedetto dice. Ma tale conoscenza potrebbe anche aiutare gli sforzi per progettare nuove spugne cristalline. Come spiega Benedetto, più i ricercatori possono conoscere le proprietà di tali materiali, più facile sarà creare nuovi MOF su misura orientati a compiti specifici.

La tecnica sviluppata e impiegata dal team per studiare la trasformazione del cristallo fornisce agli scienziati un potente strumento per far progredire la ricerca di questo tipo.

"Gli scienziati spesso studiano i cristalli dinamici in un ambiente che è statico, " dice il co-autore Travis Mitchell, un dottorato di ricerca in chimica studente nel laboratorio di Benedict. "Ciò limita notevolmente la portata delle loro osservazioni a prima e dopo che si verifica un particolare processo. I nostri risultati mostrano che l'osservazione di cristalli dinamici in un ambiente che è anche dinamico consente agli scienziati di effettuare osservazioni mentre è in corso un particolare processo. Il nostro gruppo ha sviluppato un dispositivo che ci consente di controllare l'ambiente rispetto al cristallo:siamo in grado di far fluire continuamente il fluido attorno al cristallo mentre raccogliamo dati, che ci fornisce informazioni su come e perché questi cristalli dinamici si trasformano".

Lo studio è stato sostenuto dalla National Science Foundation (NSF) e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, anche attraverso la struttura ChemMatCARS della NSF, dove si è svolto gran parte del lavoro sperimentale.

"Questi tipi di esperimenti spesso richiedono giorni per essere eseguiti su un diffrattometro di laboratorio, "dice Mitchell. "Fortunatamente, il nostro gruppo è stato in grado di eseguire questi esperimenti utilizzando la radiazione di sincrotrone presso il ChemMatCARS di NSF. Con la radiazione di sincrotrone, siamo stati in grado di effettuare misurazioni in poche ore."