L'anidride carbonica dall'atmosfera può dissolversi negli oceani, laghi e stagni, formando ioni bicarbonato e altri composti che cambiano la chimica dell'acqua, con possibili effetti nocivi sugli organismi acquatici. Inoltre, il bicarbonato può rientrare nell'atmosfera come anidride carbonica in seguito, contribuendo al cambiamento climatico. Ora, ricercatori hanno sviluppato minuscoli "nanojar, " molto più piccolo della larghezza di un capello umano, che scinde il bicarbonato in carbonato e lo cattura, così come alcuni anioni tossici, quindi gli ioni possono essere rimossi e potenzialmente riciclati.

I ricercatori presenteranno oggi i loro risultati alla riunione autunnale dell'American Chemical Society (ACS).

"Inizialmente abbiamo sviluppato nanojar per estrarre ioni dannosi con carica negativa, come cromato e arsenato, dall'acqua, "dice Gellert Mezei, dottorato di ricerca, che presenta il lavoro all'incontro. "Ma si scopre che si legano fortemente anche al carbonato". Il carbonato o altri ioni catturati nei nanojar potrebbero essere successivamente smaltiti o riciclati in prodotti utili, lui dice.

I nanojar sono minuscoli contenitori costituiti da più unità ripetute di uno ione di rame, un gruppo pirazolo e un idrossido. I vasi si formano solo quando uno ione con carica -2, come il cromato, arseniato, fosfato o carbonato, è presente. Quando gli ingredienti appropriati vengono aggiunti a un solvente organico, le unità ripetitive si formano e si assemblano in nanojar, con l'anione carico -2 legato strettamente al centro.

Per rimuovere gli anioni dall'acqua, i ricercatori hanno aggiunto il solvente contenente i componenti del nanojar, che formava uno strato organico sopra l'acqua. "Il solvente non si mescola con l'acqua, ma gli anioni dell'acqua possono entrare in questo strato organico, " spiega Mezei, che è alla Western Michigan University. "Quindi, i nanojar si formano e si avvolgono intorno agli ioni, intrappolandoli nella fase organica." Poiché l'acqua e gli strati organici non si mescolano, possono essere facilmente separati. Il trattamento dello strato organico con un acido debole provoca la disgregazione dei nanojar, rilasciando gli anioni per lo smaltimento o il riciclaggio.

I ricercatori hanno utilizzato nanojar per rimuovere gli anioni tossici dall'acqua. "Abbiamo dimostrato che possiamo estrarre cromato e arseniato al di sotto dei livelli consentiti dall'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti per l'acqua potabile - davvero, livelli davvero bassi, " dice Mezei. I nanojar hanno un'affinità ancora maggiore per il carbonato, e aggiungendo una molecola chiamata 1, La 10-fenantrolina alla miscela produce nanojar che legano due ioni carbonato ciascuno invece di uno.

Il team ha anche realizzato nanojar che sono selettivi per determinati anioni. "Il blocco costitutivo originale del pirazolo rende i nanojar che sono totalmente selettivi per gli ioni con carica -2, ma non possono discriminare tra questi ioni, " dice Mezei. Usando due pirazoli legati da un linker etilenico come elemento costitutivo, i ricercatori hanno realizzato nanojar che si legano preferenzialmente al carbonato. Più recentemente, hanno dimostrato che l'uso di due pirazoli con un linker di propilene produce nanojar selettivi per i solfati. Questi nanojar selettivi per gli anioni saranno importanti per le applicazioni in cui devono essere rimossi solo alcuni ioni con carica -2.

I ricercatori hanno anche lavorato per rendere il processo più adatto alle applicazioni del mondo reale. Per esempio, hanno scambiato una base debole, triottilammina, per la base forte, idrossido di sodio, originariamente utilizzato per realizzare nanojars. "Triottilammina, a differenza dell'idrossido di sodio, è solubile nella fase organica e rende la formazione dei nanojar molto più efficiente, " Dice Mezei. Interessante, la triottilammina provoca la formazione di nanojars con strutture leggermente diverse, a cui si riferisce come nanojar "capped", ma sembrano legare il carbonato altrettanto strettamente.

Finora, tutti gli esperimenti sono stati condotti su scala di laboratorio. Sviluppare un sistema per trattare grandi volumi d'acqua, come in un lago, richiederà la collaborazione con ingegneri, dice Mezei. Però, immagina che l'acqua del lago contaminata possa essere pompata in una stazione per il trattamento e poi restituita al lago. Alcuni ioni, come il fosfato, potrebbero essere riciclati per scopi utili, come fertilizzante. Il carbonato potrebbe essere riciclato per produrre solventi "verdi", chiamati esteri carbonati, per l'estrazione del nanojar stesso. "Se questo processo per rimuovere l'anidride carbonica dall'acqua –– e indirettamente, l'atmosfera –– sarebbe competitiva con altre tecnologie, che ancora non so, " dice Mezei. "Ci sono molti aspetti che devono essere presi in considerazione, e questa è una faccenda complicata".