ECCO AzoPORE, LA SPUGNA MOLECOLARE CHE SI STRIZZA CON LA LUCE
È il primo materiale molecolare nanoporoso in grado di assorbire selettivamente
l’anidride carbonica e rilasciarla alla luce del Sole. È 100% made in Italy e debutta
oggi su Nature Chemistry.
Bologna, 2 luglio 2015. – Ha l’aspetto di una comune polvere cristallina, ma al suo
interno è attraversato da microscopici canali, centomila volte più sottili di un capello,
che percorrono l’intero volume del materiale. AZOpore – così l’hanno chiamato i suoi
inventori delle Università di Bologna e di Milano-Bicocca – è in grado di assorbire
selettivamente l’anidride carbonica e di rilasciarla quando viene esposto alla luce
solare. Questo nuovo materiale, frutto della ricerca italiana nel campo delle
nanotecnologie, ha notevoli potenzialità per diverse applicazioni industriali.
E’ stato battezzato AzoPORE (AZObenzene nanoPORous matErial) ed è costituito da
cristalli contenenti molteplici cavità di dimensioni nanometriche (milionesimi di
millimetro) che gli permettono di assorbire notevoli quantità di gas. Si tratta di un
autentico “gruviera artificiale”: basti pensare che un solo grammo di AzoPORE ha
un’area superficiale pari a quella di un campo da tennis. La novità esclusiva di
AzoPORE è la sua sensibilità alla luce, resa possibile grazie alla sua struttura
molecolare derivata da una particolare combinazione di quattro unità di azobenzene.
L’azobenzene è una molecola molto studiata perché in grado di cambiare forma (da
lineare a piegata) quando è illuminata. AzoPORE sfrutta appieno questa particolare
capacità; infatti quando sono illuminate le sue molecole assumono una nuova forma,
provocando un rapido collasso della struttura cristallina, con il conseguente
smantellamento dei canali e il rilascio di molecole di CO2 intrappolate nei pori.
AzoPORE è totalmente riutilizzabile perché la struttura cristallina e la porosità
vengono ripristinate scaldando il materiale (bastano pochi minuti a 100°C). Pertanto,
illuminare AzoPORE ha un effetto simile a strizzare una spugna intrisa d’acqua – con
la differenza che AzoPORE assorbe preferenzialmente l’anidride carbonica, ovvero il
principale responsabile del riscaldamento globale. AzoPORE possiede un’affinità per
l’anidride carbonica ottanta volte superiore a quella per l’azoto, il maggiore
componente dell’aria, una delle più alte selettività riportate per un materiale
molecolare. AzoPORE rappresenta dunque il capostipite di una nuova classe di
sostanze capaci di assorbire e rilasciare in maniera reversibile mediante stimoli di
natura luminosa molecole gassose intrappolate nella sua struttura cava.
L’illuminazione di AzoPORE, oltre a rilasciare il gas intrappolato, provoca la
trasformazione della polvere solida cristallina di partenza in un liquido viscoso.
Questo effetto di “fotofusione” è di grande interesse tecnologico per le sue possibili
ricadute nei settori della fotolitografia, della olografia e degli adesivi. AzoPORE,
infine, è molto semplice da produrre e si ottiene da materie prime facilmente
reperibili: 1 kg di materiale puro preparato in laboratorio, quindi senza ricorrere ad
ingegnerie di processo ed economie di scala, costa poche decine di euro.
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A progettare, realizzare e infine collaudare AzoPORE – riferisce un articolo pubblicato
oggi dalla prestigiosa rivista scientifica Nature Chemistry – un team di ricercatori del
Dipartimento di Chimica “G. Ciamician” dell’Università di Bologna, coordinato da
Massimo Baroncini, Fabrizia Grepioni e Alberto Credi, e del Dipartimento di Scienza
dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca, coordinato da Angiolina Comotti.
Lo sviluppo di nuovi materiali porosi è di grande importanza sia pratica che
scientifica: l’impiego per immagazzinare gas combustibili a bassa pressione o
l’utilizzo come filtri per separare gas nocivi sono solo alcuni esempi di applicazioni
tecnologiche immediate. Sono infatti molti i materiali naturali e artificiali sviluppati
capaci di assorbire gas e composti volatili, ma sono pochissimi gli esempi di materiali
porosi “intelligenti”, ovvero in grado di rispondere a stimoli esterni mutando le loro
proprietà di assorbimento. AzoPORE rappresenta il primo esempio di materiale
molecolare poroso sensibile a stimoli luminosi. Si tratta di una scoperta importante
dal punto di vista scientifico che dimostra come lo studio delle trasformazioni indotte
dalla luce sui materiali sia un campo di ricerca ancora molto vasto e inesplorato
capace di sviluppare nuova conoscenza e tecnologie all’avanguardia.
Il progetto
AzoPORE è il risultato di un progetto nato circa tre anni fa, che si inserisce in una
linea di ricerca congiunta tra i Laboratori di Nanoscienze Fotochimiche e di Crystal
Engineering dell’Università di Bologna e quello di Materiali Nanostrutturati Porosi
dell’Università di Milano-Bicocca.
Il concetto fondamentale a cui si ispira questa ricerca è la realizzazione di materiali
macroscopici con caratteristiche speciali componendo fra loro oggetti nanometrici.
Tali oggetti sono costituiti da molecole complesse, opportunamente progettate e
costruite dai chimici in modo da avere proprietà predeterminate, tali da conferire al
materiale risultante delle caratteristiche uniche. Questo è esattamente ciò che
accade in AzoPORE, dove la rigidità delle molecole costituenti (vedi figure) determina
la porosità dei cristalli, mentre la loro capacità di cambiare forma sotto l’azione della
luce si traduce nella fotoelasticità dell’intero materiale. Come ampiamente
dimostrato negli ultimi anni, lo sviluppo di materiali innovativi capaci di mutare le
loro caratteristiche in risposta a stimoli esterni rappresenta un impulso fondamentale
per il progresso tecnologico. In particolare, sostanze che sfruttano l’azione della luce
solare – una fonte di energia abbondante, economica, rinnovabile e pulita – per
svolgere funzioni utili sono di notevole interesse. Nel compiere queste ricerche i
chimici operano alla stregua degli ingegneri e degli architetti, manipolando però
sistemi un miliardo di volte più piccoli, dal momento che i loro “mattoncini” sono
atomi e molecole. La realizzazione di materiali e dispositivi artificiali di dimensioni
nanoscopiche è di grande interesse per lo sviluppo della nanotecnologia, cioè di una
tecnologia che permette di costruire strutture con dettagli nanometrici. Molti
ritengono che la nanotecnologia porterà non solo a materiali più leggeri e più
resistenti e a computer più piccoli e più potenti, ma rivoluzionerà anche la medicina
e altri settori della scienza e della tecnologia.
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Riferimenti studio:
M. Baroncini, S. d’Agostino, G. Bergamini, P. Ceroni, A. Comotti, P. Sozzani, I.
Bassanetti, F. Grepioni, T. M. Hernandez, S. Silvi, M. Venturi e A. Credi:
“Photoinduced reversible switching of porosity in molecular crystals based on starshaped azobenzene tetramers.” Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2304.
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