Ricercatori dell'Istituto Niels Bohr e del Dipartimento di Chimica dell'Università di Copenaghen, hanno recentemente progettato un polimero poroso che mira alla cattura di piccole molecole. L'ammoniaca è un gas tossico ampiamente utilizzato come reagente nei processi industriali o derivante da attività agricole, provocando irritazione alla gola, danni agli occhi e persino la morte per gli esseri umani. Essere in grado di catturarlo con questo nuovo metodo potrebbe avere enormi benefici per la salute. Il risultato è ora pubblicato in Materiali e interfacce applicati ACS.

Professore associato presso l'Istituto Niels Bohr, Heloisa Bordallo, spiega:"Se vogliamo utilizzare questo materiale in un'applicazione reale per risolvere un importante problema sociale come l'inquinamento da ammoniaca, è importante spiegare come l'ammoniaca viene catturata dalla rete porosa nel polimero. Ciò implica che dovevamo trovare una tecnica che ci permettesse di scoprire esattamente come avviene l'interazione tra il polimero e l'ammoniaca. Riuscire a rispondere a questa domanda, ci permetterà di capire meglio come questo o altri polimeri possono essere efficienti in domini multidisciplinari, compresa la nanomedicina e i rivestimenti protettivi. Se ampliato, il che non è un processo semplice, potrebbe avere un impatto positivo significativo sull'ambiente di lavoro di molte persone in tutto il mondo".

Il polimero ha mostrato caratteristiche sorprendentemente buone già all'inizio

Assistente professore Jiwoong Lee presso il Dipartimento di Chimica e Rodrigo Lima, un ex postdoc presso l'Istituto Niels Bohr, sintetizzato 2 grammi del polimero, che non sembra molto, ma in realtà è sostanziale, considerando che le quantità con cui lavorano normalmente i chimici sono solo pochi milligrammi. Dopo questo primo passo, il team ha utilizzato molte tecniche diverse per caratterizzare il materiale. L'assistente professore Jiwoong Lee spiega, "Il processo di sintesi spesso comporta il lavaggio del materiale con solventi ed è stata una bella sorpresa rendersi conto che il polimero poroso in realtà conservava una parte di questi solventi all'interno. Ciò era indicativo della capacità del materiale di catturare forse altri inquinanti, come l'ammoniaca».

I ricercatori hanno eseguito esperimenti presso l'ISIS Neutron and Muon Source, parte del laboratorio STFC Rutherford Appleton nel Regno Unito, dove è stata studiata la dinamica dei legami idrogeno raccogliendo dati sulla diffusione dei neutroni a bassa pressione per ottenere l'ammoniaca nel polimero. Lo scattering di neutroni è una tecnica in grado di descrivere dove si trovano gli atomi e allo stesso tempo descrivere come gli atomi si muovono all'interno di un materiale. Dopo, Rodrigo Lima, ex postdoc presso l'Istituto Niels Bohr, ha organizzato un esperimento presso il laboratorio di analisi termica dell'Istituto Niels Bohr e ha dimostrato che l'ammoniaca non è stata solo catturata, ma attaccato ai materiali porosi. "Questa è stata una vera sorpresa! Il polimero lega l'ammoniaca molto forte, " lui dice.

Caratterizzare il polimero amorfo si è rivelata una sfida in sé

"Per poter spiegare questa connessione apparentemente forte tra il polimero e l'ammoniaca, avevamo bisogno di conoscere la struttura del polimero. Ma poiché questo particolare polimero è amorfo, è difficile caratterizzare completamente la sua struttura. In un certo senso si potrebbe dire che avevamo spuntato la casella della cattura dell'ammoniaca, ma dovevamo ancora spiegare come ciò accade, e per questo avevamo bisogno di una visione migliore della struttura, che era irraggiungibile. Un bel dilemma avere pieno successo in una parte del progetto, e non essere in grado di spiegare esattamente perché." spiega Heloisa Bordallo.

I ricercatori hanno realizzato diverse combinazioni dei mattoni polimerici e sono stati in grado di calcolare uno spettro, utilizzando un metodo di modellazione computazionale chiamato DFT, da una combinazione che si avvicinava di più alle misurazioni del campione reale. Questo, finalmente, li ha resi in grado di "spuntare la casella" nell'interpretare il modo in cui il polimero si lega.

"Ci sono numerose applicazioni per un polimero che cattura l'ammoniaca, " Jiwoong Lee spiega. "Sarebbe utile nei laboratori, come rivestimento per maschere da indossare per la sicurezza personale, poiché l'ammoniaca è tossica e anche molto corrosiva. Potrebbe essere usato come filtri, riducendo la diffusione dell'ammoniaca rilasciata attraverso gli scarichi di molti tipi di industria. Pensare al futuro, è possibile che la tecnica dei polimeri possa essere applicata anche ad altri tipi di inquinanti".

Apprendimento automatico e intelligenza artificiale

Heloisa Bordallo desidera applicare il machine learning ai sistemi amorfi. Per questo esperimento, lei e i suoi colleghi hanno fatto l'esperimento "a mano, ' per così dire, ma è forse un modo più praticabile di utilizzare questo processo per utilizzare l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale. L'applicazione di algoritmi di deep learning può aiutare a classificare accuratamente i materiali amorfi e a caratterizzare le loro caratteristiche strutturali. "Quindi, combinando l'apprendimento automatico con calcoli teorici, saremo in grado di analizzare i dati di diffusione dei neutroni in un modo molto più elegante, " lei dice.