Credito:Oak Ridge National Laboratory
Diossido di azoto e anidride solforosa (NO2 e SO2 ) sono gas tossici nocivi per l'ambiente e la salute umana. Una volta entrati nell'atmosfera, possono viaggiare per centinaia di miglia, inquinando l'aria e provocando piogge acide che a loro volta danneggiano edifici, alberi e raccolti. L'esposizione ai gas tossici può anche portare a infezioni respiratorie, asma e malattie polmonari croniche.
Per questi motivi, i cosiddetti gas acidi sono in cima alla lista degli inquinanti presi di mira dal Clean Air Act, che richiede all'Agenzia per la protezione dell'ambiente di regolamentare e fissare limiti sull'NO2 e SO2 emissioni con l'obiettivo di migliorare la qualità dell'aria e prevenire malattie diffuse.
Gli scienziati stanno sviluppando materiali in grado di rilevare e intrappolare i gas acidi, uno sforzo tra alcune delle principali strategie innovative per mitigare l'inquinamento atmosferico e combattere il cambiamento climatico. L'approccio consiste in varie soluzioni tecnologiche progettate per filtrare l'aria catturando o intrappolando gas tossici dalle emissioni. In alcuni casi, le molecole catturate possono anche essere conservate e riutilizzate:l'anidride carbonica, ad esempio, può essere riutilizzata in determinate applicazioni per promuovere la fotosintesi e la crescita delle piante.
I materiali chiamati strutture metalliche organiche, o MOF, potrebbero portare il sequestro di gas acido a un livello superiore, rendendolo un approccio più praticabile e pratico per migliorare la qualità dell'aria su scala globale. I MOF sono essenzialmente una matrice microscopica di atomi di metallo attaccati l'uno all'altro da molecole organiche che formano uno schema ripetuto di minuscole gabbie metalliche interconnesse. Agiscono come una spugna che può aderire o assorbire le molecole sulla sua superficie. In effetti, i MOF sono così altamente porosi che la quantità che rientrerebbe nella tasca di qualcuno, se allungata, coprirebbe la superficie di un intero campo da calcio.
In un recente studio pubblicato sulla rivista ACS Applied Materials and Interfaces , ricercatori che cercano materiali candidati per rimediare a NO2 e SO2 ha studiato una serie di MOF che possono essere realizzati dall'intera famiglia dei metalli delle terre rare. Hanno utilizzato simulazioni al computer e una combinazione di esperimenti di diffusione di neutroni e raggi X per aiutarli a determinare le condizioni ottimali per sintetizzare i materiali. Nel processo, hanno anche scoperto importanti dettagli su un difetto interessante che si forma nei MOF che, secondo loro, potrebbe essere utile nella costruzione di dispositivi per catturare le emissioni o rilevare livelli pericolosi di gas tossici.
"Le strutture metalliche organiche sono davvero nuove per la loro flessibilità, la loro chimica e il modo in cui puoi adattare la loro struttura. Se sostituisci le molecole organiche, puoi ottimizzare la struttura per indirizzare diversi gas", ha affermato Susan Henkelis del Sandia National Laboratory, capo dello studio autore. "I gas acidi provengono in genere dai processi di combustione, quindi questa ricerca potrebbe essere utile nello sviluppo di dispositivi per aiutare a limitare le emissioni di impianti industriali su larga scala come le raffinerie di petrolio e le centrali elettriche a combustibili fossili."
Il team comprende ricercatori del Dipartimento dell'Energia (DOE) Sandia e dei laboratori nazionali di Oak Ridge (ORNL) e dell'Università del Tennessee, Knoxville (UTK). I ricercatori fanno parte del Centro per la comprensione e il controllo dell'evoluzione dei materiali indotta dai gas acidi, o UNCAGE-ME, un programma sviluppato specificamente per comprendere le interazioni tra gas acidi e materiali solidi. UNCAGE-ME fa parte di un più ampio sforzo di ricerca supportato dal programma Energy Frontier Research Center (EFRC) del DOE, che riunisce le capacità di ricerca delle università e dei laboratori nazionali per fornire approfondimenti su scala atomica per affrontare alcune delle più grandi sfide energetiche del mondo che possono essere raggiunto solo attraverso grandi collaborazioni.
"L'obiettivo scientifico fondamentale di questo lavoro era quello di capire come la chimica e il processo di sintesi creano questi difetti, perché vogliamo sapere come possono essere controllati i difetti e qual è il loro effetto sull'adsorbimento dei gas acidi", ha affermato Peter Metz, un ricercatore post-dottorato presso UTK che ha lavorato in Scienze dei neutroni presso ORNL durante il periodo dello studio. "Per farlo, dobbiamo capire come si formano i legami atomici nei MOF e come sono disposti gli atomi."
Idealmente, le gabbie all'interno di ciascun MOF sintetizzato formano un cubo. Ogni angolo contiene un ammasso di sei ioni metallici di terre rare con un altro ammasso al centro del cubo. Ogni coppia di ioni metallici nel cluster si connette a un'altra coppia in un altro cluster tramite un singolo collegamento, o molecola linker.
Ma a volte si verifica un difetto, specialmente nei MOF costituiti da ioni europio, in cui il linker si attorciglia ed espone lo ione delle terre rare, il che aumenta la probabilità che una molecola inquinante rimanga intrappolata all'interno della struttura.
Per scoprire perché ciò accade, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di esperimenti di diffusione di neutroni e raggi X per mappare le strutture atomiche dei materiali.
Hanno usato i raggi X per trovare gli elementi di metallo pesante, che hanno fornito un profilo della struttura complessiva. E, per capire meglio come sono disposte le molecole organiche, hanno bombardato i materiali con neutroni usando lo strumento POWGEN presso la Spallation Neutron Source (SNS) dell'ORNL, che li ha aiutati a tracciare le posizioni degli atomi di idrogeno, carbonio e ossigeno che formano la molecola legami tra i cluster di ioni metallici.
Dagli esperimenti, il team è stato in grado di determinare che i materiali con i difetti si sono effettivamente formati più rapidamente rispetto alle loro controparti prive di difetti. Hanno anche scoperto che i difetti potrebbero essere indotti intenzionalmente regolando le temperature e il tempo necessario per far crescere i materiali cristallini.
Il team ha quindi utilizzato i dati strutturali ottenuti dagli esperimenti per eseguire simulazioni al computer per vedere come ciascuno dei materiali, con e senza i difetti, interagiva con i gas tossici NO2 e SO2 .
"Sebbene queste nuove intuizioni riguardino il lato della ricerca di base, potrebbero avere un grande impatto lungo la strada", ha affermato Tina Nenoff di Sandia, l'autrice corrispondente dello studio. "Abbiamo appreso nuove informazioni su come si formano questi materiali, che possiamo utilizzare per controllare e progettare MOF con maggiore specificità. Inoltre, abbiamo sviluppato un approccio completo per valutare un'ampia serie di MOF, che aiuterà ad accelerare il ritmo di ricerca di nuovi materiali candidati e sviluppandoli in tecnologie utili." + Esplora ulteriormente
