Un team di chimici UConn ha scoperto un nuovo modo di produrre una classe di materiali porosi che consente maggiori controlli di produzione e ha applicazioni significativamente più ampie rispetto allo standard industriale di lunga data.

Il processo, più di tre anni di lavoro e delineato nell'edizione di dicembre 2013 di Comunicazioni sulla natura , ha portato finora alla creazione di oltre 60 nuove famiglie di materiali, con il potenziale per molti di più. Il catalizzatore chiave nel processo è riciclabile, rendendolo una tecnologia "verde".

Sono pendenti quattro domande di brevetto relative alla scoperta. VeruTEK, una società di innovazioni chimiche con sede a South Windsor, Conn., si è assicurato i diritti su alcuni dei materiali.

"Questo è sicuramente il progetto più entusiasmante in cui sono stato coinvolto negli ultimi 30 anni, " dice il professor Steven L. Suib del Board of Trustees, ricercatore principale del progetto. "Quello che abbiamo fatto è simile alla scoperta di un nuovo insetto, solo ora c'è una serie di famiglie di queste cose che si possono scoprire. È piuttosto bello."

La ricerca è il primo grande lavoro uscito dal nuovo Centro di Eccellenza GEMS dell'Università. Il centro, che prende il nome dall'acronimo Green Emulsioni, micelle e tensioattivi, si trova nel Dipartimento di Chimica del College of Liberal Arts and Sciences.

La ricerca di Suib prevede la creazione di uniformi, o monomodale, ossidi di metalli mesoporosi che utilizzano metalli di transizione come manganese, cobalto, e ferro. Mesoporoso descrive la dimensione dei pori nel materiale. In questo caso, hanno un diametro compreso tra 2 e 50 nanometri e sono distribuiti uniformemente sulla superficie del materiale, simile a quello che si potrebbe vedere se si usa uno spillo per praticare numerosi fori in un materiale. Solo il processo UConn consente agli scienziati di utilizzare la chimica dell'ossido nitrico per modificare il diametro del "perno, " per modificare le dimensioni dei fori. Questo approccio unico aiuta a contenere le reazioni chimiche e fornisce un controllo e una flessibilità senza precedenti.

"Il professor Suib e i suoi colleghi segnalano un percorso inaspettato e nuovo per la generazione di ossidi metallici mesoporosi, "dice Prabir Dutta, illustre professore universitario di chimica e biochimica presso la Ohio State University. "La scoperta del professor Suib e l'estensione della mesoporosità a una gamma molto più ampia di ossidi metallici è destinata a spingere quest'area a nuovi livelli, con tutti i tipi di potenziali applicazioni, rendendo questo studio uno sviluppo importantissimo nella scienza dei materiali."

Avere materiali con pori microscopici uniformi consente a molecole mirate di dimensioni particolari di fluire dentro e fuori dal materiale, che è importante in applicazioni come adsorbimento, sensori, ottica, magnetico, e prodotti energetici come i catalizzatori presenti nelle celle a combustibile.

"Quando le persone pensano a questi materiali, pensano ai sistemi di chiusura a chiave, " dice Suib. "Con certi enzimi, devi avere pori di una certa dimensione e forma. Con questo processo, ora puoi creare un ricettacolo per proteine ​​o enzimi specifici in modo che possano entrare nei pori e legarsi e reagire in modo specifico. questa è la speranza, essere in grado di creare un poro che consentirà a tali materiali di adattarsi, essere in grado di creare un poro di cui uno scienziato ha bisogno."

Negli ultimi 20 anni, gli scienziati hanno fatto affidamento su una lunga procedura a base d'acqua per la produzione di materiali mesoporosi sviluppata per la prima volta da Mobil Oil. quella procedura, anche se innovativo quando è stato scoperto, ha dei limiti. La dimensione dei pori nel materiale è difficile da manipolare; le pareti delle strutture mesoporose risultanti sono amorfe; e la stabilità del sistema sottostante si indebolisce quando esposto a calore elevato, limitandone l'uso. Il processo funziona anche meglio solo quando si utilizza silicio o titanio, rispetto ad altri metalli della tavola periodica.

I chimici di UConn hanno preso un'altra strada, scegliendo di sostituire il processo a base acqua con un tensioattivo chimico sintetico simile a un detergente per creare i mesopori. Riducendo il consumo di acqua, aggiungendo il tensioattivo, poi sottoponendo le nanoparticelle risultanti al calore, il team di ricerca ha scoperto che potrebbe generare a controllo termico, termicamente stabile, materiali mesoporosi uniformi con pareti cristalline molto resistenti. I mesopori, Suib dice, sono creati dagli spazi che si formano tra le nanoparticelle organizzate quando si raggruppano insieme. Il team ha scoperto che la dimensione di tali spazi vuoti o pori potrebbe essere adattata – aumentata o diminuita – regolando l'esposizione della nanostruttura al calore, un importante passo avanti nel processo di sintesi.

"Tale controllo della distribuzione della dimensione dei pori, volumi dei pori migliorati, e la stabilità termica è senza precedenti..., ", ha scritto la squadra nel suo rapporto.

Forse altrettanto importante, il team ha scoperto che il processo potrebbe essere applicato con successo a un'ampia varietà di elementi della tavola periodica. Anche, il tensioattivo utilizzato nella sintesi è riciclabile e può essere riutilizzato dopo l'estrazione senza danneggiare il prodotto finale.

Consapevole dell'importanza delle sue scoperte, Il team di Suib ha aspettato deliberatamente di pubblicare il suo rapporto finché non avesse verificato diverse applicazioni utilizzando una varietà di elementi periodici. Anche adesso, il team crede di aver solo scalfito la superficie.

"Abbiamo sviluppato più di 60 famiglie di materiali, " dice Suib. "Per ogni singolo materiale che abbiamo realizzato, puoi farne a dozzine di altri simili. Puoi drogarli aggiungendo piccole quantità di impurità. Puoi modificare le loro proprietà. Puoi produrre solfuri oltre agli ossidi. C'è ancora molta ricerca da fare".

La ricerca UConn è stata finanziata dalla divisione Basic Energy Sciences del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso un $ 420, 000 sovvenzione in tre anni. Suib dice che un membro in particolare del gruppo di ricerca, Altug S.Poyraz, uno studente laureato "enormemente talentuoso" che persegue il suo dottorato alla UConn, è stato determinante per il successo del progetto. Poyraz ha trascorso innumerevoli settimane esplorando pazientemente diversi approcci al processo fino a quando il team non ha trovato il successo.

"È davvero uno studente universitario unico e probabilmente il miglior chimico sintetico che abbia mai visto, " disse Suib, che ricopre anche il ruolo di direttore dell'Institute of Materials Science di UConn.

Suib ritiene che il processo sarà interessante per l'industria perché è semplice, conveniente, e verde.