Poiché il mondo rivolge la sua attenzione ai veicoli elettrici in sostituzione di auto e camion a gas, alcuni veicoli come i camion e gli aerei a lungo raggio avranno bisogno di un ponte tra gas ed elettrico.

Il gas naturale potrebbe essere una valida alternativa. È ampiamente disponibile e brucia in modo più pulito della benzina. Sono già disponibili anche kit di conversione per consentire alle autovetture o ai camion a lungo raggio di funzionare a gas naturale, afferma Adam Matzger, professore di chimica all'Università del Michigan.

"Il gas naturale è ovunque, ed è visto come una sorta di trampolino di lancio dalla benzina all'elettricità o all'idrogeno", ha detto. "Il problema principale è l'archiviazione. Il costo è buono. La distribuzione è buona. L'archiviazione è il problema."

Matzger, che studia un materiale chiamato strutture metallo-organiche (MOF), pensava che potessero avere un potenziale non sfruttato per immagazzinare metano, il componente più grande del gas naturale.

I MOF sono strutture rigide e porose composte da metalli legati da leganti organici. Il metano può essere immagazzinato all'interno di un MOF attraverso un processo chiamato adsorbimento. Nell'adsorbimento, le molecole di una sostanza si aggrappano alla superficie di un materiale rendendo possibile lo stoccaggio a basse pressioni.

Matzger ha lavorato con Alauddin Ahmed, assistente ricercatore in ingegneria meccanica presso l'UM College of Engineering, per scansionare quasi un milione di MOF che sono già stati sviluppati per trovare materiali che potrebbero avere le caratteristiche giuste per immagazzinare metano. Ne hanno trovati due che non erano stati precedentemente testati, uno dei quali era stato creato casualmente nel laboratorio di Matzger. I loro risultati sono pubblicati su Angewandte Chemie , una rivista della Società chimica tedesca.

Il problema con il gas naturale è che deve essere immagazzinato a una pressione molto elevata, ovvero circa 700 volte la pressione atmosferica. Lo stoccaggio del gas naturale a questo tipo di pressione richiede attrezzature specializzate e una grande quantità di energia.

"C'è un'altra piccola ruga, che è che se lo userai davvero in un veicolo, non lo toglierai dall'alta pressione e lo porterai a zero", ha detto Matzger. "Perché quando la pressione diventa troppo bassa, non puoi azionare il motore del veicolo. Quindi devi effettivamente guardare alla capacità utilizzabile."

Per rendere utilizzabile il metano, gli scienziati dovevano trovare il materiale migliore che immagazzinasse il metano a una pressione più bassa e lo ciclizzasse fino al livello di pressione richiesto dal motore del veicolo. Ciò significava passare da 80 volte la pressione atmosferica a circa cinque volte la pressione atmosferica.

"L'idea è che avendo un adsorbente in un serbatoio, puoi immagazzinare più metano a pressioni più basse di quanto potresti senza l'assorbente perché aiuta a rimanere attaccato al metano a pressioni più basse", ha detto Matzger. "Quindi il problema si riduce alla scelta di un adsorbente, ed è qui che la teoria è venuta davvero in soccorso."

L'assistente ricercatore Ahmed è specializzato nello sviluppo di algoritmi per prevedere le proprietà di composti chimici e materiali nanoporosi, materiali come i MOF che hanno la capacità di immagazzinare molecole, e nell'utilizzo di screening computazionale per identificare particolari materiali nanoporosi. Ha sviluppato un metodo per eseguire lo screening di un database principale dei 1.000.000 di MOF che ha compilato da 21 database diversi.

"Il motivo per cui questo materiale è importante è perché da un punto di vista chimico, puoi progettare un numero infinito di questi MOF", ha affermato Ahmed. "Quindi la domanda è:se il numero è infinito, come si trova un buon materiale? È un po' come trovare un ago in un pagliaio, in realtà è più difficile di così."

Ahmed ha utilizzato due diversi metodi per lo screening di due diverse classi di MOF. Una classe di MOF ha quello che viene chiamato un sito metallico chiuso. È stato scoperto che un'altra classe di MOF ha un sito metallico aperto, ma solo una volta che i ricercatori hanno rimosso computazionalmente le molecole d'acqua dall'interno della struttura di questi MOF.

I ricercatori dell'UM sono stati in grado di cercare MOF con un sito metallico aperto, più invitante per le molecole di metano, sulla base di un algoritmo sviluppato da Don Siegel, professore di ingegneria meccanica all'Università del Texas.

"In precedenza, quando i ricercatori cercavano MOF per immagazzinare metano, non separavano queste due classi di MOF", ha detto Ahmed. "Il vantaggio della nostra modellazione è che abbiamo due modelli separati. Abbiamo separato i composti con siti metallici chiusi da quelli con siti metallici aperti, che hanno una maggiore affinità per quelle molecole di metano."

Il team ha scoperto tre MOF che avrebbero funzionato bene per immagazzinare metano, uno dei quali il laboratorio di Matzger aveva sviluppato casualmente. Il borsista post-dottorato Karabi Nath è stato in grado di sintetizzare i materiali con un'elevata area superficiale e ha scoperto che le loro capacità sperimentali di metano corrispondevano a quanto previsto dalla teoria. I MOF, UTSA-76, UMCM-152 e DUT-23-Cu, funzionano bene perché hanno molti piccoli pori che possono attrarre molecole di gas all'interno.

Matzger immagina un serbatoio all'interno di un camion pieno di questi MOF. Attualmente, auto e camion convertiti per funzionare a gas naturale utilizzano costosi serbatoi progettati per immagazzinare gas inferiore a 10.000 libbre per pollice quadrato, o PSI. Invece, i conducenti potrebbero utilizzare un serbatoio a pressione inferiore riempito con UMCM-152 o uno degli altri due MOF identificati.

"La cosa che distingue questo studio è che abbiamo stabilito il record per lo stoccaggio di metano. Questi MOF sono migliori di qualsiasi altro materiale di stoccaggio di metano precedentemente identificato e quindi questo ci aiuta a capire se ci stiamo avvicinando a un sistema pratico", disse Matzger.

"Ma la cosa che continua a farmi ridere è che uno dei MOF ideali era proprio sotto i nostri occhi e non lo sapevamo. È qui che la teoria, senza dubbio, ci ha messo nella giusta direzione". + Esplora ulteriormente

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