Gli ingegneri chimici dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ora capiscono come le molecole d'acqua si assemblano e cambiano forma in alcuni ambienti, rivelando una nuova strategia per accelerare le reazioni chimiche critiche per l'industria e la sostenibilità ambientale. Il nuovo approccio è destinato a svolgere un ruolo nell'aiutare i produttori di sostanze chimiche ad abbandonare i catalizzatori solventi dannosi a favore dell'acqua.

Il loro metodo sfrutta i buchi, tunnel e passaggi all'interno di cristalli microporosi su scala nanometrica chiamati zeoliti. Gli spazi dei pori all'interno di alcune zeoliti sono così stretti che quando sono saturati con acqua, possono inserire solo catene larghe singole molecole all'interno dei loro confini. Queste catene a file singolo di molecole d'acqua hanno proprietà termochimiche diverse rispetto all'acqua normale o "sfusa", i ricercatori hanno detto, che ha conseguenze in molte discipline scientifiche.

Lo studio, guidato dal professore di ingegneria chimica e biomolecolare David Flaherty, è pubblicato sulla rivista Catalisi della natura .

Zeoliti, che possono comportarsi come minuscole spugne, filtri o anche catalizzatori, sono stati utilizzati per anni in materiali che assorbono le fuoriuscite ambientali e purificano l'acqua e altri prodotti chimici. I ricercatori comprendono che le interazioni con l'acqua all'interno dei pori della zeolite influiscono notevolmente sulla loro stabilità come catalizzatori, ma non è stato chiaro come o perché ciò accada.

Nel laboratorio, il team ha utilizzato metodi spettroscopici per misurare le differenze sistematiche tra la forma e la disposizione delle molecole d'acqua nella fase di massa e quelle molecole d'acqua confinate all'interno di una serie di zeoliti con diametri dei pori progressivamente più piccoli, di cui 1.3, 0,7, 0,5 e 0,3 nanometri—5, 000 a 10, 000 volte più piccolo dello spessore di un capello umano.

"Abbiamo visto tassi più elevati di reazioni chimiche vicino a piccoli gruppi di molecole d'acqua confinate nei pori della zeolite rispetto a quelli senza acqua o in acqua sfusa, " ha detto Flaherty. "Correlazioni tra i cambiamenti di entropia nell'acqua causati dalla reazione, le velocità di reazione e la dimensione dei pori della zeolite suggeriscono che i cambiamenti nella struttura degli ammassi e delle catene d'acqua sono responsabili del miglioramento delle velocità catalitiche".

"Quando le strutture dell'acqua a catena hanno dovuto riorganizzarsi per accogliere le molecole reattive, ha portato ad aumenti inaspettati e drammatici dei tassi, " ha detto l'autore principale ed ex studente laureato dell'Illinois Daniel Bregante. "Questi risultati sono un pezzo importante del puzzle per capire perché certe combinazioni di catalizzatori, solventi e reagenti hanno portato a tassi maggiori di altri."

Dal punto di vista tecnologico, i ricercatori dicono che ora sanno come progettare zeoliti sintetiche migliori e sintonizzarle per influenzare reazioni di molti tipi.

"Questo principio è rilevante anche per i materiali oltre le zeoliti e altri processi chimici, " ha detto Flaherty. "L'elettrocatalisi e altre tecnologie di assorbimento e separazione utilizzano materiali microporosi per conversioni o purificazioni di idrocarburi o prodotti derivati ​​da biomasse, per esempio." Il lavoro del team potrebbe cambiare il modo in cui altri progettano e sintetizzano i materiali per queste applicazioni.

il professore dell'Illinois Diwakar Shukla; studenti laureati Matthew Chan, Jun Zhi Tan e Zeynep Ayla; e Cristoforo Nicola, di Honeywell, Des Plaines, Malato., partecipato a questo studio.