C'è un intero universo acquoso nascosto nei minuscoli pori di molti materiali naturali e ingegnerizzati. La ricerca della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis ha dimostrato che quando tali materiali sono immersi in un liquido, la chimica all'interno dei minuscoli pori, noti come nanopori, può differire in modo critico da quella della soluzione sfusa.

Infatti, nelle soluzioni a maggiore salinità, il pH all'interno dei nanopori può essere fino a 100 volte più acido rispetto alla soluzione sfusa.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati il ​​22 agosto sulla rivista Chem .

Una migliore comprensione dei nanopori può avere importanti conseguenze per una varietà di processi ingegneristici. Si pensi, ad esempio, alla produzione di acqua pulita mediante processi a membrana; tecnologie di decarbonizzazione per i sistemi energetici, compresa la cattura e il sequestro del carbonio; produzione e stoccaggio di idrogeno; e batterie.

Young-Shin Jun, professore di ingegneria energetica, ambientale e chimica, e Srikanth Singamaneni, professore di Lilyan ed E. Lisle Hughes presso il Dipartimento di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, volevano capire come il pH, la misura di quanto acido o basico un liquido è:nei nanopori differisce da quello della soluzione liquida sfusa in cui sono immersi.

"Il pH è una 'variabile principale' per la chimica dell'acqua", ha detto Jun. "Quando viene misurato in pratica, le persone misurano davvero il pH della soluzione sfusa, non il pH all'interno dei nanopori del materiale."

"E se sono diversi, è un grosso problema perché le informazioni sul piccolo spazio minuscolo cambieranno l'intera previsione nel sistema."

Jun e il suo ex dottorato di ricerca lo studente Yaguang Zhu ha lavorato con Singamaeni e il suo ex dottorato di ricerca. studente Hamed Gholami Derami. Singamaneni aveva sviluppato sensori di nanoparticelle plasmoniche che riportavano come il pH cambiasse mentre si muoveva attraverso un sistema biologico. I sensori sono costituiti da una nanoparticella d'oro accoppiata a una molecola sensibile al pH, esattamente il tipo di sensore che Jun potrebbe utilizzare.

Quando la luce viene riflessa sulle molecole della sonda pH, il pH del loro ambiente circostante viene riportato da piccoli cambiamenti nella loro diffusione Raman. Tuttavia, il normale scattering Raman offre un segnale estremamente debole, rendendolo difficile da rilevare. Quell'effetto è amplificato dalla nanoparticella d'oro, che agisce come una sorta di antenna, amplificando l'effetto di diffusione Raman.

Per misurare il pH nei nanopori, Singamaeni ha racchiuso un nanosensore in un guscio di silice con pori di appena tre nanometri di diametro e lo ha messo in soluzioni liquide con diverse sostanze chimiche. Il team ha verificato che i sensori fornivano solo informazioni chimiche dall'interno dei nanopori di silice, incluso il pH, e non erano contaminati dalla soluzione sfusa.

E poiché le nanoparticelle d'oro amplificano lo scattering Raman delle molecole solo nelle loro immediate vicinanze, possono anche fornire informazioni su molecole e ioni all'interno dei pori.

"Non importa come sta cambiando il pH al di fuori del nanoporo", ha detto Singamaeni, "perché la molecola della sonda non lo sta rilevando. Sta solo rilevando ciò che sta accadendo nell'ambiente locale".

In laboratorio, i team di ricerca hanno scoperto che gli anioni (ioni a carica negativa) si trasportavano preferenzialmente nei nanopori, inducendo un pH più basso all'interno dei nanopori rispetto alla soluzione sfusa.

Maggiore è la salinità della soluzione, maggiore è la differenza (fino a 100 volte più acida!). Nel mondo reale, questo potrebbe essere rilevante per le salamoie degli impianti di desalinizzazione, il recupero di petrolio e gas o il sequestro geologico del carbonio. Molti materiali ingegnerizzati sfruttano anche spazi di nanopori unici per ottenere una maggiore reattività nei processi.

Questa scoperta può aiutare a spiegare i misteri di vecchia data nei processi di ingegneria in cui i risultati tendono a non essere d'accordo con i risultati previsti.

"Questo ci dà potere predittivo", ha detto Jun. "In precedenza, utilizzavamo solo le informazioni dai sistemi di massa. Pensavamo che le sostanze chimiche coinvolte nella soluzione di massa e la soluzione nei nanopori fossero le stesse, ma abbiamo scoperto che i nanopori creano un universo acquoso unico che può ospitare reazioni importanti che non possono accadere in soluzione di massa." + Esplora ulteriormente

Un minuscolo termometro monitora direttamente le variazioni di temperatura quando gli ioni passano attraverso un nanoporo