I metalli sono uno dei materiali più utilizzati al mondo:vengono utilizzati nelle pentole, utensili, apparecchi elettrici, cavi elettrici, chip per computer, gioielli e così via. Con la crescente domanda di prodotti in metallo, è fondamentale promuovere metodi sostenibili e rispettosi dell'ambiente per riciclare i rifiuti metallici per contribuire a ridurre l'impatto ambientale dell'utilizzo dei metalli nell'economia.

Gli approcci convenzionali per il riciclaggio dei rifiuti metallici sono ad alta intensità energetica e alcuni di questi metodi generano anche sottoprodotti dannosi per l'ambiente, come ammoniaca e metano durante il riciclaggio dell'alluminio.

Per affrontare questa sfida, un team di ricercatori della National University of Singapore (NUS) ha dimostrato una nuova tecnica ecologica per convertire i rifiuti di alluminio e magnesio in rifiuti di alto valore, aerogel multifunzionali. Questo metodo di upcycling potrebbe essere applicato a tutti i tipi di rifiuti metallici sotto forma di energia, come chip metallici e rifiuti elettronici.

"Il nostro approccio è più economico, non produce rifiuti pericolosi, consuma meno energia ed è più rispettoso dell'ambiente rispetto ai metodi di riciclaggio convenzionali per i rifiuti metallici. Gli aerogel a base di metallo creati utilizzando la nostra tecnica di fabbricazione unica hanno un'elevata stabilità termica e meccanica. Quindi, sono candidati promettenti per l'isolamento termico e acustico in ambienti difficili con alte temperature o alto impatto meccanico. Stiamo anche esplorando nuovi usi per tali aerogel, come le applicazioni biomediche, " ha spiegato il professore associato Duong Hai-Minh, capo del gruppo di ricerca, che proviene dal Dipartimento di Ingegneria Meccanica del NUS.

Quest'ultima svolta tecnologica raggiunta dal Professore Associato Duong e dal suo team si basa sui loro precedenti successi nello sviluppo di aerogel utilizzando diversi tipi di rifiuti come la plastica, tessili, carta, foglie di ananas e altri tipi di scarti alimentari e agricoli.

Semplice, processo di fabbricazione a basso costo

Il team NUS ha sviluppato un semplice processo di fabbricazione per creare aerogel a base di metallo. I rifiuti metallici vengono prima macinati in polvere e mescolati con reticolanti chimici. La miscela viene riscaldata in forno, congelato e poi liofilizzato per creare l'aerogel. Il processo può variare leggermente a seconda dei rifiuti metallici coinvolti. In media, ci vogliono da uno a tre giorni per trasformare i rifiuti metallici in polvere in aerogel, rispetto a tre-sette giorni utilizzando i metodi convenzionali di produzione di aerogel.

Il semplice processo significa anche che gli aerogel a base di metallo possono essere prodotti a un costo molto inferiore. Utilizzando la tecnica sviluppata dal team NUS, un pezzo di aerogel a base di metallo delle dimensioni di 1 mq e dello spessore di 1 cm costa meno di S$ 10,50 da produrre, metà del prezzo dell'aerogel di silice disponibile in commercio.

Aerogel a base di metallo come materiali da costruzione versatili

Gli aerogel sono altamente assorbenti, estremamente leggero, e hanno eccellenti capacità di isolamento termico e acustico. Nel loro lavoro precedente, Assoc Prof Duong e il suo team hanno dimostrato che le proprietà degli aerogel possono essere alterate rivestendoli con sostanze chimiche, ad esempio, possono diventare idrorepellenti o resistenti al fuoco.

Nel loro ultimo lavoro, il team NUS ha identificato nuove interessanti applicazioni per gli aerogel a base di metallo. Un'applicazione promettente è quella di essere utilizzati come materiali da costruzione leggeri.

"Il nostro aerogel in alluminio è 30 volte più leggero e isola il calore 21 volte meglio del calcestruzzo convenzionale. Quando vengono aggiunte fibre ottiche durante la fase di miscelazione, possiamo creare aerogel in alluminio traslucido che, come materiali da costruzione, può migliorare l'illuminazione naturale, ridurre il consumo di energia per l'illuminazione e illuminare le aree buie o senza finestre. Il cemento traslucido può essere utilizzato anche per costruire marciapiedi e dossi che si illuminano di notte per migliorare la sicurezza dei pedoni e del traffico stradale, Ha aggiunto Assoc Prof Duong.

Gli aerogel in alluminio traslucido creati dal team NUS sono sei volte più leggeri, sei volte migliore nell'isolamento termico e 120 volte più economico rispetto al calcestruzzo traslucido commerciale (LiTraCon).

Quando rivestito con una sostanza chimica chiamata metiltrietossisilano (MTEOS), gli aerogel di alluminio sono in grado di respingere l'acqua e diventano un materiale da costruzione autopulente che consente di rimuovere facilmente sporco o detriti quando viene a contatto con l'acqua.

Gli aerogel a base di metallo sono adatti anche come pannelli ignifughi, materiali per l'isolamento termico negli edifici e nei sistemi di tubazioni, per l'assorbimento di contaminanti aerodispersi per ambienti interni, e pulizia in caso di fuoriuscite di olio.

Aerogel a base di metallo per la coltivazione cellulare

Il team NUS sta anche valutando l'utilizzo di aerogel per applicazioni biomediche.

"Attualmente stiamo lavorando con un partner commerciale per testare i nostri aerogel di alluminio come microcarrier per la coltivazione cellulare. I microcarrier sono microsfere di dimensioni che consentono alle cellule di ancorarsi e crescere. Le nostre prime prove sono state eseguite su cellule staminali, utilizzando una linea cellulare comunemente usata per testare farmaci e cosmetici, e i risultati sono molto incoraggianti, " ha spiegato Assoc Prof Duong.

Da utilizzare come microcarrier, aerogel di alluminio vengono macinati in polvere e aggiunti alla miscela di cellule e mezzi di crescita (compresi nutrienti, antibiotici e integratori per la crescita). Le cellule vengono coltivate a 37 gradi Celsius in un'incubatrice per 12 giorni. I microcarrier vengono quindi rimossi e le cellule vengono raccolte per vari usi.

"Dopo 12 giorni di incubazione, i nostri esperimenti hanno ottenuto una resa del 70%. Questa è la prima dimostrazione di successo di cellule in crescita utilizzando aerogel. Abbiamo bisogno di condurre più studi per ottimizzare le condizioni di coltura e affrontare i requisiti di biocompatibilità. Si tratta di uno sviluppo entusiasmante che potrebbe aprire le porte a un uso più ampio di aerogel per applicazioni non convenzionali come test di farmaci e cosmetici, sviluppo di vaccini e ingegneria dei tessuti, "Ha spiegato Assoc Prof Duong.

Il team NUS ha recentemente pubblicato il suo lavoro sulla creazione di aerogel utilizzando i rifiuti di alluminio nel Journal of Material Cycles and Waste Management il 22 febbraio 2021. Il professore associato Duong e il suo team stanno anche discutendo con i partner del settore per commercializzare la tecnologia per la fabbricazione di aerogel a base di metallo.

Nella fase successiva della loro ricerca, il team NUS sta anche cercando di sviluppare aerogel a base di metallo per applicazioni che richiedono una tolleranza alla temperatura estremamente elevata, come per applicazioni militari.