I ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e dell'Università della Tecnologia di Dresda hanno svelato il meccanismo di assorbimento dell'acqua in alcuni materiali microporosi, le cosiddette strutture metallo-organiche gerarchiche (MOF), analizzandoli su scala atomica.
Scoperte solo circa 25 anni fa, le loro proprietà speciali si sono rapidamente guadagnate la reputazione di "materiali miracolosi" che, come si è scoperto, possono persino raccogliere l'acqua dall'aria. I ricercatori descrivono come il materiale raggiunge questo obiettivo in ACS Applied Materials &Interfaces .
"Questi materiali molto speciali sono solidi altamente porosi costituiti da metalli o cluster di metallo-ossigeno collegati in modo modulare da pilastri di sostanze chimiche organiche. Questa disposizione 3D porta a reti di cavità che ricordano i pori di una spugna da cucina. È proprio queste cavità che ci interessano", afferma il dottor Ahmed Attallah dell'Istituto di fisica delle radiazioni dell'HZDR.
Questi pori su scala nanometrica costituiscono la base per una cornucopia di potenziali applicazioni, che vanno dallo stoccaggio del gas alla tecnologia di separazione, passando per la catalisi e nuovi sensori, e la raccolta dell'acqua è una delle più promettenti.
Il team ha sintetizzato due MOF basati sui metalli zirconio e afnio, tenuti in posizione dalla stessa struttura organica. Successivamente, gli scienziati hanno esaminato più in profondità le caratteristiche dei materiali ottenuti applicando una varietà di tecniche complementari.
Da un lato hanno determinato la quantità di azoto o vapore acqueo che potrebbe rimanere intrappolato nei pori del materiale. D'altra parte, hanno osservato più da vicino l'esatto meccanismo di assorbimento dell'acqua nei MOF, che fino ad oggi non era ben compreso.
"Per far luce sul processo, abbiamo utilizzato una tecnica non distruttiva nota come spettroscopia di annichilazione di positroni, o in breve, PALS, in cui un positrone interagisce con gli elettroni, le sue antiparticelle, annichilandosi e quindi rilasciando raggi gamma che possono essere rilevati", ha affermato il Dr. Andreas Wagner, capo del Centro ELBE per le sorgenti di radiazioni ad alta potenza presso HZDR.
"Il tempo che intercorre tra l'emissione di positroni provenienti da una sorgente radioattiva e la successiva rilevazione di raggi gamma costituisce la vita media dei positroni. Questa a sua volta dipende dalla velocità con cui incontrano gli elettroni."
Se nel materiale sono presenti vuoti, come i nanopori, positroni ed elettroni tendono a formare i cosiddetti atomi di positronio, con un elettrone e un positrone ciascuno, che orbitano attorno al loro centro di massa comune, andando dritti l'uno verso l'altro finché la coppia di particelle non viene formata. dispersi o annientati, a seconda di quale evento si verifichi per primo.
Poiché questi atomi esotici vivono più a lungo in vuoti più grandi, rivelano informazioni sulla dimensione e sulla distribuzione del vuoto. I ricercatori hanno scoperto che l’assorbimento di acqua nei MOF era governato principalmente da un meccanismo di riempimento graduale, inclusa la formazione di ponti liquidi nei pori. L'assorbimento dell'acqua è stato influenzato dalla formazione di accumuli d'acqua sulla superficie dei pori, che hanno creato piccoli spazi d'aria nei pori.
"Grazie alla stretta somiglianza chimica dei metalli zirconio e afnio, le strutture metallo-organiche risultanti hanno esattamente le stesse dimensioni dei pori e un'elevata stabilità chimica, permettendoci allo stesso tempo di valutare la validità del nostro metodo," il Prof. Stefan Kaskel, Cattedra di Chimica Inorganica I presso l'Università di Tecnologia di Dresda, spiega. La ricerca del suo gruppo si concentra sullo sviluppo di nuovi materiali funzionali per varie applicazioni, come stoccaggio e conversione dell'energia, catalisi ambientale e adsorbimento di acqua.
Sulla base dei risultati, i ricercatori concludono che il loro studio fornisce nuove informazioni sul meccanismo di assorbimento dell’acqua nei MOF gerarchici, che potrebbero aiutare a progettare materiali migliori per la raccolta dell’acqua dall’aria, che è particolarmente importante nelle regioni aride. Esponendo i MOF all'aria, possono catturare le molecole d'acqua dall'atmosfera. Quindi, applicando calore o riducendo la pressione, l'acqua può essere rilasciata e utilizzata.
Gli scienziati pensano già più avanti:la tecnologia è adatta per soluzioni commerciali? Come riportato da un altro gruppo sul campo, 1,3 litri di acqua per chilogrammo di MOF al giorno proveniente dall'aria del deserto danno un'idea dell'entità della resa attualmente ottenibile nella pratica.
Tuttavia, per ottenere una soluzione complessivamente sostenibile, è necessario prendere in considerazione altri fattori oltre alla resa. "Per aumentare la raccolta dell'acqua con i MOF, questi dovrebbero essere accessibili a buon mercato in grandi quantità. Inoltre, i percorsi di sintesi tradizionali richiedono grandi quantità di solventi organici o l'acquisizione di costosi elementi costitutivi", Kaskel e Attallah indicano possibili insidie in questo sforzo.
Per evitarli, le cosiddette procedure di sintesi "verdi" recentemente sviluppate guadagneranno slancio in futuro, garantendo una produzione ecocompatibile di MOF.
Il team di Dresda sta già aderendo a questa idea seguendo i principi della chimica verde, come l'uso dell'acqua come solvente, l'esecuzione di reazioni a basse temperature a risparmio energetico e l'utilizzo di materiali di scarto come fonti di metalli e leganti organici.
Ulteriori informazioni: Ahmed G. Attallah et al, Svelare il meccanismo di adsorbimento dell'acqua nei MOF gerarchici:approfondimenti da studi sull'annientamento di positroni in situ, Materiali e interfacce applicati ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.3c10974
Informazioni sul giornale: Materiali e interfacce applicati a ACS
Fornito dall'Associazione Helmholtz dei centri di ricerca tedeschi
