Quando i magneti non si accordano: la meccanica quantistica decifra il catalizzatore del ferro
Sulla strada di catalizzatori più efficienti per la riduzione delle emissioni globali di CO2
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I catalizzatori sono indispensabili per la produzione su larga scala di molte sostanze chimiche, in quanto accelerano le reazioni chimiche. Alcuni di essi contengono atomi di metallo, come il ferro, come mattoni fondamentali. Gli elettroni di ogni singolo atomo di ferro possiedono un piccolo momento magnetico, il cosiddetto spin. Quando diversi atomi di ferro si incontrano in un catalizzatore, il modo in cui i loro spin sono orientati l'uno rispetto all'altro è fondamentale. Un gruppo di ricercatori dell'Università di Vienna è riuscito a decifrare la modalità d'azione di un catalizzatore a base di ferro utilizzando calcoli di meccanica quantistica. Hanno dimostrato che il fenomeno della sovrapposizione stabilizza il catalizzatore e lo rende più efficace.
Cella MIL-101(Fe) con centro di ferro triangolare allargato intorno all'ossigeno centrale (rosso scuro). Lo spin del terzo ferro, contrassegnato da un punto interrogativo, deve scegliere tra alfa (up) e beta (down), il che significa che non può mai esserci una quantità uguale di entrambi i tipi. Il terzo atomo è in crisi di spin.
© Dr. Johannes Dietschreit
La sintesi dell'ammoniaca dall'azoto e dall'idrogeno è un processo chimico fondamentale, utilizzato principalmente per la produzione di fertilizzanti, e attualmente rappresenta circa il 2% del consumo energetico globale. La ricerca di nuovi catalizzatori più efficienti per la produzione di ammoniaca è quindi un fattore importante per ridurre le emissioni globali diCO2.
Un candidato promettente è MIL-101(Fe), una struttura metallo-organica (MOF) in cui tre atomi di ferro sono disposti in forma triangolare attorno a un atomo di ossigeno centrale. Parallelamente agli studi sperimentali, da anni i ricercatori cercano di comprendere la struttura e le proprietà di questo materiale utilizzando simulazioni al computer, al fine di svelare i meccanismi alla base della sua attività catalitica a livello atomico.
Finora si era ipotizzato che gli spin dei tre atomi di ferro fossero allineati in parallelo tra loro. Il team guidato da Leticia González (Facoltà di Chimica) e Georg Kresse (Facoltà di Fisica), entrambi membri del FWF-Excellence Cluster "Materials for Energy Conversion and Storage (MECS)", ha ora dimostrato che gli spin sono idealmente allineati in modo antiparallelo tra loro. Tuttavia, poiché ogni atomo di ferro ha due vicini, questa condizione non può essere soddisfatta per tutti e tre contemporaneamente: due dei tre atomi di ferro possono soddisfare il requisito, ma il terzo è sempre parallelo a un vicino e antiparallelo all'altro. I fisici chiamano questo stato spin-frustrato.
"Si può immaginare come se tre persone cercassero di sedersi attorno a un tavolo rotondo, e ognuna volesse sedersi direttamente di fronte a un'altra. Questo non è possibile per tutti e tre allo stesso tempo, il che porta alla frustrazione di uno di loro", spiega Patrick Lechner, primo autore dello studio pubblicato su Angewandte Chemie International Edition.
A differenza della fisica classica, questi stati possono essere descritti "in modo soddisfacente per tutte le parti" utilizzando la meccanica quantistica: tutte le possibili configurazioni coesistono simultaneamente sotto forma di una cosiddetta superposizione. Le varie configurazioni di spin esistono tutte allo stesso tempo e il sistema complessivo può essere descritto accuratamente solo se si considerano tutte queste possibilità. Questo principio ricorda il famoso esperimento di Schrödinger con il gatto che è contemporaneamente vivo e morto finché non si misura il suo stato: una situazione simile si verifica con la frustrazione degli spin. "Questa frustrazione magnetica, che può essere spiegata solo attraverso una sovrapposizione di diversi stati quantistici, stabilizza la struttura del catalizzatore e consente un'interazione particolarmente efficiente con piccole molecole di gas come N2 e CO, il che spiega la sua attività catalitica", spiega González.
Lo studio su questi cluster di ferro triangolari, pubblicato su Angewandte Chemie International Edition, potrebbe a lungo termine contribuire ad aumentare l'efficienza e le prestazioni di questi catalizzatori, aprendo così la strada a una produzione di ammoniaca più sostenibile.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Patrick Lechner, Gaurab Ganguly, Michael J. Sahre, Georg Kresse, Johannes C. B. Dietschreit, Leticia González. Spin Frustration Determines the Stability and Reactivity of Metal-Organic Frameworks with Triangular Iron(III)-oxo Clusters. In Angew. Chem. Int. Ed. (2025)
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