Cosa fa la tua pelle, i vestiti che indossi, e il terreno su cui ti trovi hanno in comune? Sono tutte sostanze porose. Come una spugna, le loro superfici sono ricoperte da minuscoli fori che permettono il passaggio di liquidi e gas. I materiali porosi sono diffusi in tutto il mondo, e quelli con pori su scala nanometrica, chiamati materiali mesoporosi, costituiscono di tutto, dai supporti per catalizzatori chimici alle camere di stoccaggio del gas e alle membrane di separazione.

Ad oggi, gli scienziati hanno lottato per fabbricare materiali mesoporosi resistenti; però, hanno sviluppato con successo materiali "microporosi". Questi materiali hanno pori ancora più piccoli, misura meno di due nanometri. Gli scienziati costruiscono questi materiali incredibilmente piccoli usando il concetto di "struttura molecolare", dove piccolo, le molecole rigide sono interconnesse per generare una struttura continua. Mentre la mancanza di elementi costitutivi adeguati nel regime mesoporoso (da due a 50 nanometri) ha impedito agli scienziati di sviluppare materiali mesoporosi resistenti, un gruppo di ricerca dell'Università di Buffalo (UB) ha ora risolto questo problema.

"Una volta raggiunta una certa dimensione, la maggior parte delle molecole diventa troppo flessibile e non è abbastanza forte da mantenere la struttura dei pori di un materiale, " disse Dmytro Nykypanchuk, uno scienziato presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti dell'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti situata presso il Brookhaven National Laboratory. "Questo ha portato gli scienziati di UB a sviluppare un approccio completamente nuovo alla sintesi dei materiali mesoporosi".

In un articolo pubblicato su ACS Nano , gli scienziati descrivono la sintesi di un nuovo materiale da copolimeri a scovolino, una molecola gigante con un'architettura speciale. Queste molecole hanno setole che emanano da una spina dorsale con blocchi terminali. Il team di ricerca ha previsto che questa combinazione unica di componenti reattivi in ​​una singola molecola formerebbe un materiale resistente con pori controllabili. Nello specifico, le catene laterali potrebbero fungere da interconnettori extra rigidi, mentre i blocchi terminali reattivi potrebbero aiutare più molecole di scovolino a legarsi insieme.

"I copolimeri Bottlebrush forniscono una piattaforma unica per la fabbricazione di materiali mesoporosi, " ha detto Javid Rzayev, il ricercatore capo del progetto e un professore di chimica presso UB. "Maneggiando la loro architettura molecolare, possiamo controllare la rigidità molecolare e la direzionalità delle interazioni intermolecolari. Questo ci ha permesso di sviluppare un materiale mesoporoso con parametri modulabili a livello molecolare".

Per confermare i loro risultati, il team di ricerca UB ha analizzato la struttura del nuovo materiale presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), anche un DOE Office of Science User Facility. Utilizzando una tecnica chiamata diffusione di raggi X a piccoli angoli, il team ha diretto i raggi X luminosi dalla linea di luce 11-BM, una linea di luce costruita in una partnership tra NSLS-II e CFN, per osservare come la luce rimbalza sugli atomi all'interno del materiale. Lo studio ha rivelato che il nuovo materiale era molto diverso da quelli prodotti con metodi tradizionali. Poiché ogni poro è stato costruito da diverse macromolecole, il materiale di nuova concezione aveva un numero molto maggiore di pori per volume, mentre i pori mostravano dimensioni uniformi e mantenevano la loro rigidità. Più importante, gli scienziati potrebbero controllare i pori manipolando la struttura dei copolimeri a scovolino.

"Poiché i pori sono definiti dall'architettura molecolare, gli scienziati hanno molto più controllo sulla dimensione dei pori e sulle proprietà di questi materiali rispetto a prima, " Disse Nykypanchuk.

Con una struttura robusta e controllabile su cui lavorare, gli scienziati possono ora ricercare modi per migliorare i materiali mesoporosi, come alterare la natura dei pori per renderli cataliticamente attivi.