I chimici dell'UCLA e della Corea del Sud riferiscono della "porosità estrema di un nano-materiale, " raggiungimento di record mondiali sia per la porosità che per la capacità di stoccaggio dell'anidride carbonica in un'importante classe di materiali noti come MOF, o strutture metallo-organiche.

MOF, a volte descritti come spugne di cristallo, hanno pori — aperture su scala nanometrica che possono immagazzinare gas che di solito sono difficili da immagazzinare e trasportare. La porosità è fondamentale per compattare grandi quantità di gas in piccoli volumi ed è una proprietà essenziale per catturare l'anidride carbonica.

La ricerca potrebbe portare a un'energia più pulita e alla capacità di catturare le emissioni di anidride carbonica che intrappolano il calore prima che raggiungano l'atmosfera e contribuiscano al riscaldamento globale, l'innalzamento del livello del mare e l'aumento dell'acidità degli oceani.

La ricerca sarà pubblicata il 23 luglio nell'edizione cartacea della rivista Scienza ed è attualmente disponibile nell'edizione online anticipata della rivista.

"Stiamo segnalando la porosità ultima di un nanomateriale; riteniamo che questo sia il limite superiore o molto vicino al limite superiore per la porosità nei materiali, " ha detto l'autore senior del giornale, Omar Yaghi, un professore di chimica e biochimica dell'UCLA e membro sia del California NanoSystems Institute (CNSI) dell'UCLA che dell'UCLA-Department of Energy Institute of Genomics and Proteomics.

"La porosità è un modo per fare molto con poco, " disse Yaghi, che detiene la cattedra Irving e Jean Stone dell'UCLA in scienze fisiche e dirige il Centro di chimica reticolare del CNSI. "Invece di avere solo la superficie esterna di una particella, pratichiamo piccoli fori per aumentare notevolmente la superficie."

Con l'autore principale Hiroyasu (Hiro) Furukawa, co-autore Jaheon Kim e colleghi, Yaghi riferisce su due materiali che non solo battono il record di porosità, ma fallo con un margine estremamente ampio. I materiali sono MOF-200, realizzato all'UCLA da Furukawa, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Yaghi, e MOF-210, realizzato alla Soongsil University di Seoul in Corea del Sud da Kim, un professore di chimica ed ex studente laureato nel laboratorio di Yaghi, e colleghi.

"Abbiamo fatto non solo progressi incrementali con i MOF, " disse Yaghi, la cui ricerca si sovrappone alla chimica, Scienze dei materiali e Ingegneria. "La particolarità di MOF-200 e MOF-210 è che si stanno avvicinando al limite di ciò che si può ottenere in un materiale. Potremmo essere in grado di progettare strutture migliori, ma non saranno facili da realizzare".

Inventato da Yaghi all'inizio degli anni '90, I MOF sono come impalcature fatte di aste collegate, con pori su scala nanometrica della dimensione giusta per intrappolare l'anidride carbonica. I componenti dei MOF possono essere modificati quasi a piacimento, e il laboratorio di Yaghi ha realizzato diverse centinaia di MOF, con una varietà di proprietà e strutture.

Dal 1999, I MOF hanno detenuto il record per avere la più alta porosità di qualsiasi materiale. I MOF possono essere realizzati con ingredienti a basso costo, come l'ossido di zinco, un ingrediente comune nella protezione solare, e tereftalato, che si trova nelle bottiglie di plastica della soda.

Yaghi ha scoperto la chiave per realizzare strutture altamente porose, che lui e i suoi colleghi hanno riportato sulla rivista Natura nel 2004 (MOF-177 ha battuto il precedente record di porosità, che era stato tenuto dal 1999 dal MOF-5) di Yaghi e in Scienza nel 2005. Da allora, i chimici sono stati in una corsa per creare superfici sempre più alte per i materiali, con la massima porosità.

Ora Yaghi, Furukawa e Kim hanno realizzato MOF con porosità doppia rispetto a MOF-177, tre volte la porosità di MOF-5 e 10 volte la porosità del materiale più poroso prima del 1999. Ciò significa che ora possono immagazzinare il doppio del gas che potevano nel 2004, un enorme aumento.

"Se prendo un grammo di MOF-200 e lo svelo, coprirà molti campi da calcio, e questo è lo spazio che hai per i gas da assemblare, " Yaghi ha detto. "E 'come per magia. Quaranta tonnellate di MOF equivalgono all'intera superficie della California.

"Questo è solo l'inizio dei MOF, " Egli ha detto, "perché ora possiamo vedere la piattaforma di materiali su cui possiamo costruire. Nella scienza, raggiungere il limite con l'esperimento è magnifico, e ora possiamo testare le proprietà di questi materiali per varie applicazioni. I requisiti per realizzare un materiale praticabile per la cattura dell'anidride carbonica sono un'elevata capacità e un'elevata selettività. Abbiamo riferito prima su come ottenere un'elevata selettività per l'anidride carbonica; ora stiamo mostrando come ottenere un'elevata capacità. Le applicazioni industriali sono in fase di implementazione o, in certi casi, sono in via di sviluppo. Molte aziende stanno lavorando allo sviluppo di MOF".

Per esempio, BASF, un'azienda chimica globale con sede in Germania, produce grandi quantità di MOF, venduti da Sigma-Aldrich, una società di scienze della vita e di alta tecnologia.

Yaghi, Furukawa e Kim riferiscono anche in Scienza un record per la capacità di stoccaggio dell'anidride carbonica. MOF-200 e MOF-210 assorbono la maggior quantità di idrogeno, metano e anidride carbonica, a peso, mai raggiunto.

Il 12 febbraio di quest'anno, Yaghi, Hexiang Deng, studente laureato dell'UCLA, Furukawa e colleghi dell'UCLA hanno riferito in Scienza la loro creazione di un "gene" sintetico in grado di catturare le emissioni di anidride carbonica.

L'anidride carbonica sta inquinando l'atmosfera terrestre e danneggiando le barriere coralline e la vita marina, impatti irreversibili nel corso della nostra vita, ha detto Yaghi.

Con la nuova ricerca, è ora possibile sviluppare il gene sintetico con MOF-200 e MOF-210, dandogli una superficie molto più ampia.

"I MOF sono una classe di materiali che non ha eguali a nessun'altra, " Ha detto Yaghi. "I MOF sono tra la più grande classe di materiali mai realizzati, in numero, varietà e diversità di composizione».

Furukawa, che ha lavorato nel laboratorio di Yaghi per sette anni, ha conseguito il dottorato di ricerca. dall'Università di Tokyo.

"Hiro ha scoperto un modo per evacuare completamente il solvente che altrimenti avrebbe riempito i buchi, che ha consentito l'accesso alla porosità, " Yaghi ha detto. "Quella era la magia."

Imparare da "As the World Turns" e "Three's Company"

Quando Furukawa arrivò negli Stati Uniti con una borsa di studio giapponese, non parlava quasi inglese.

Yaghi, uno dei più grandi scienziati del mondo, ricorda senza imbarazzo come ha visto "As the World Turns" e "Days of Our Lives" per imparare l'inglese quando è arrivato a New York dalla Giordania all'età di 15 anni.

"Quando ho preso in braccio Hiro, "Yaghi ha detto, "Ho pensato, "Non ha idea del mondo in cui sta entrando" — America o il mio laboratorio. Gli dissi, 'Non parlerò con te finché non comprerai una piccola TV e guarderai le soap opera ogni giorno; Voglio che impari l'inglese». Il modo in cui ho imparato l'inglese era leggere il giornale con un dizionario e sottolineare le parole che non capivo. Quasi ogni altra riga aveva una parola sottolineata che ho guardato in alto, ma impari molto velocemente. ho visto le soap opera, pure. Tornavo di corsa nella mia stanza da scuola per vedere cosa succedeva. Le storie non si muovono molto velocemente; è quasi come fare ricerca."

Furukawa ha seguito il consiglio di Yaghi e ha guardato le repliche di "Three's Company".

"Non riuscivo a capirlo all'inizio, " Egli ha detto, "ma dopo, è stato facile da seguire."

Come fa Yaghi a decidere quali studenti accettare nel suo laboratorio?

"Bisogna guardarli negli occhi e vedere se c'è passione ed energia, " Ha detto Yaghi. "L'abilità tecnica deve essere accoppiata con la capacità di sfruttare il tuo potenziale ed elevare la tua mente".

Furukawa lavora spesso fino alle 4 del mattino, spesso sul computer di casa.

"Quando voglio finire qualcosa, mi piace continuare a lavorare, " Egli ha detto.

"La cosa migliore che ho imparato dal professor Yaghi, " Furukawa ha detto, "non è chimica ma il suo modo di pensare. Quando mi sono unito al suo gruppo, Sono rimasto molto sorpreso perché non ho mai visto un professore che la pensa come lui in Giappone. Pubblica solo risultati eccezionali. Ecco perché è il leader del campo. Ci motiva a trovare scoperte, nuovi concetti e record mondiali. L'esperienza di lavorare nel suo laboratorio ha decisamente migliorato la mia mente e il mio processo di pensiero."