La dottoressa Juliane März al vano portaoggetti. Qui prepara un campione sensibile all'umidità e all'ossigeno per l'analisi. Credito:Amac Garbe/HZDR
Dopo la loro scoperta 25 anni fa, le strutture metallo-organiche (MOF) hanno rapidamente acquisito l'aura di un "materiale miracoloso" grazie alle loro particolari proprietà:le loro grandi superfici interne e le dimensioni dei pori regolabili facilitano applicazioni migliorate, ad esempio, nella separazione dei materiali e nei gas Conservazione.
Mentre i rappresentanti precedenti si basavano principalmente su metalli di transizione come rame e zinco, un team dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha esplorato parti più esotiche della tavola periodica:hanno studiato composti analoghi con attinidi come componente inorganico. In questo modo contribuiscono, tra l'altro, a promuovere lo smaltimento sicuro dei materiali radioattivi.
Gli scienziati di Rossendorf hanno così gettato le basi per strutture che possono ospitare una serie di ioni metallici attinidi come componente principale, vale a dire torio e uranio, nonché i transuranici nettunio e plutonio.
"La maggior parte di questi elementi nell'ultima riga della tavola periodica sono artificiali. Sono il prodotto di un bombardamento di neutroni o un sottoprodotto di un reattore nucleare. In essi gli esseri umani hanno creato sostanze estremamente pericolose perché sono tutte radioattive e, in alcuni casi, altamente tossici", spiega il dott. Moritz Schmidt dell'Institute of Resource Ecology dell'HZDR.
"Ciò significa anche che tutto il nostro lavoro sperimentale deve essere condotto con misure di sicurezza speciali in atto. Il nostro cavallo di battaglia è la chimica di coordinazione o, in altre parole, la creazione di complessi metallici con molecole prevalentemente organiche", afferma la dott.ssa Juliane März, espandendosi sullo sfondo alle attività della squadra.
All'interno della chimica di coordinazione, le strutture metallo-organiche sono un campo relativamente giovane. I solidi altamente porosi sono composti da metalli o agglomerati metallo-ossigeno che sono collegati su base modulare da pilastri di sostanze chimiche organiche, creando reti di cavità flessibili che ricordano i pori di una spugna da cucina.
Inizialmente, la ricerca si è concentrata sui metalli di transizione. "Buone prospettive per nuove applicazioni ci hanno presto portato a guardare agli elementi con gusci di elettroni complessi, prima di tutto i metalli delle terre rare e infine anche gli attinidi. Ma, finora, non si sa quasi nulla degli elementi transuranici che non si trovano naturalmente , come il nettunio e il plutonio", afferma März, abbozzando la cronologia.
Scaffold ad alta simmetria da elementi costitutivi molecolari:applicazioni personalizzate
Come pilastro organico hanno usato antracene chimicamente modificato, un importante esempio di idrocarburi policiclici aromatici. "Sappiamo che l'antracene cristallino è il miglior scintillatore organico:quando la radiazione ricca di energia passa attraverso questa sostanza, eccita le sue molecole mediante processi di collisione. L'energia di eccitazione viene emessa sotto forma di luce blu. Ecco perché anche le nostre strutture sono luminose". Riferisce Schmidt. E mostrano un'altra proprietà speciale:l'ampiezza del loro gap di banda, che è una misura della differenza energetica tra la banda di valenza e la banda di conduzione.
"Nel caso di semiconduttori a temperature molto basse solo la banda di valenza ha portatori di carica; in questo stato non è conduttivo. Quando viene applicata energia, si spostano sulla banda di conduzione e quindi innescano un flusso di corrente. Le misurazioni mostrano che il nostro nuovo materiale è uno dei cosiddetti semiconduttori a banda larga che svolgono un ruolo soprattutto nell'elettronica di potenza e nella tecnologia dei sensori.Quindi, potrebbe essere utilizzabile come rilevatore di radiazioni ionizzanti e gli attinidi che abbiamo integrato forniscono un riferimento costante di radiazione interna a allo stesso tempo", afferma Schmidt.
Le prime indagini sui MOF da parte di gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno sintetizzato rappresentanti che esibivano superfici interne sempre più grandi e sono quindi diventate alternative al carbone attivo e alle zeoliti, ad esempio nella separazione dei materiali o nei processi catalitici. Il loro vantaggio è che la loro struttura modulare significa che possono essere implementate diverse topologie di rete; inoltre, la dimensione dei pori può essere regolata molto finemente selezionando un pilastro appropriato per l'applicazione prevista come adsorbenti efficienti per una sostanza chimica molto specifica.
März e Schmidt hanno fatto un ulteriore passo avanti, aggiungendo una nuova sfaccettatura al loro lavoro. Hanno identificato applicazioni in un campo in cui l'Institute of Resource Ecology dell'HZDR conduce ricerche:lo smaltimento sicuro del materiale radioattivo. I ricercatori stanno quindi valutando lo sviluppo di una matrice di rifiuti su misura che immobilizzi gli attinidi nello scaffold e i prodotti di fissione nei suoi pori.
La ricerca è pubblicata su Journal of the American Chemical Society e sulla base di lavori precedenti pubblicati in Revisioni della chimica del coordinamento . + Esplora ulteriormente
