I ricercatori hanno decifrato il codice: un espediente molecolare apre la strada a una nuova generazione di vetro
Occhiali MOF con nuove proprietà: una molecola organica altera la struttura dei legami durante la fusione
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I ricercatori dell’Università Tecnica di Dortmund, dell’Università di Paderborn, dell’Università di Duisburg-Essen e dell’Università di Oxford hanno sviluppato un nuovo metodo per modificare in modo selettivo la struttura interna di specifici tipi di vetro. Lo studio, pubblicato sulla rivista “Nature Materials”, mostra come l’aggiunta di una molecola organica durante la fusione provochi un riassetto dei legami chimici all’interno del materiale. Il processo riduce la temperatura di lavorazione richiesta, impedisce la decomposizione della sostanza e consente di regolare con precisione le proprietà magnetiche e ottiche. Questi vetri speciali vengono utilizzati, tra l’altro, nello stoccaggio di gas, nelle batterie, nelle applicazioni ottiche e nella catalisi.
Vetri con proprietà speciali
«Abbiamo trovato un modo per modificare chimicamente la struttura dei vetri derivati dai cosiddetti composti a struttura metallorganica – o MOF in breve – proprio durante il processo di produzione», spiega il prof. dott. Sebastian Henke dell’Università Tecnica di Dortmund, che ha guidato lo studio. Per ottenere questo risultato, gli esperti hanno utilizzato la 1,10-fenantrolina. La molecola abbassa il punto di fusione e, al contempo, altera il modo in cui gli atomi di metallo nel vetro sono legati tra loro. Il vantaggio principale è che i ricercatori hanno potuto così sviluppare vetri con proprietà magnetiche o di emissione luminosa che in precedenza era impossibile ottenere senza distruggere il materiale a causa del calore estremo.
Vetro trasformato dall’interno tramite modifica chimica
«Normalmente, il vetro si forma quando un liquido fuso si raffredda rapidamente. La struttura solida si consolida quindi senza che gli atomi si dispongano secondo uno schema regolare. Finora, i ricercatori hanno spesso dovuto accettare che la composizione chimica di questi vetri fosse dettata dal materiale di partenza», spiega il prof. Henke. Il team ha ora dimostrato che non deve necessariamente essere sempre così. Questo perché i MOF sono costituiti da centri metallici tenuti insieme da composti organici. Queste strutture possono essere modificate radicalmente mentre si trovano allo stato liquido aggiungendo fenantrolina. «Il punto cruciale è che la molecola non rimane semplicemente un riempitivo», continua il Prof. Henke. «Entra in reazione. In questo modo modifichiamo la composizione chimica proprio nel momento in cui il materiale è ancora allo stato liquido».
La chiave molecolare
Gli scienziati hanno miscelato la fenantrolina con i materiali di partenza prima del riscaldamento. L’additivo svolge due funzioni contemporaneamente: «Come fondente, la sostanza abbassa la temperatura di fusione del materiale; come agente chimico, la molecola si lega direttamente agli atomi metallici e sostituisce parzialmente i legami preesistenti. Allo stato fuso, la molecola interferisce con quello che viene definito ‘ambiente di coordinazione’. Questo termine descrive quanti vicini circondano un singolo atomo. Poiché la nuova molecola si lega più fortemente ai centri metallici, il numero di vicini aumenta», spiega il prof. Henke. Il processo avvia una completa ristrutturazione della rete vetrosa. Regolando il dosaggio della molecola, i ricercatori possono controllare l’entità di questa ristrutturazione.
Produzione a temperature più basse, risultati più stabili
Un effetto collaterale pratico del processo è la temperatura di fusione più bassa. Molti dei materiali studiati si decomporrebbero altrimenti prima di poter essere trasformati in vetro. Il calore estremo ne distruggerebbe la struttura e produrrebbe impurità indesiderate. «Grazie a questo “trucco” molecolare, il materiale fonde a temperature significativamente più basse e rimane stabile. Studi sui vetri contenenti cobalto hanno dimostrato che questo processo più delicato impedisce la formazione di prodotti di decomposizione nocivi”, spiega il Prof. Dr. Matthias Bauer dell’Università di Paderborn. Ciò è particolarmente importante per le proprietà funzionali: è l’unico modo per rilevare gli effetti magnetici puri nel vetro, che altrimenti sarebbero stati mascherati dalle impurità.
Le misurazioni confermano l’ipotesi
Sono stati impiegati metodi di misurazione ad alta risoluzione per dimostrare che la struttura era effettivamente cambiata. Le tecniche convenzionali a raggi X raggiungono qui i loro limiti, poiché il vetro non presenta più una struttura cristallina regolare. Il prof. Bauer spiega: «Abbiamo invece utilizzato, tra le altre tecniche, la spettroscopia di assorbimento dei raggi X. Questo metodo ci ha permesso di indagare l’immediato entorno degli atomi di cobalto». I dati delle misurazioni hanno confermato l’ipotesi: mentre gli atomi mantengono il loro stato chimico (stato di ossidazione), il loro entorno spaziale cambia in modo significativo. I legami con le molecole vicine si adattano alla nuova molecola.
Dal cristallo al componente funzionale
Lo studio dimostra che il processo non si limita a una singola classe di materiali. I ricercatori hanno testato con successo il loro metodo anche sulle cosiddette strutture a impalcatura a base di carbossilati. Ciò amplia notevolmente le possibilità di produzione di questi vetri. Il Prof. Henke riassume l’importanza di questa scoperta per il futuro: «La fusione non è più uno stato intermedio rigido. Diventa uno spazio di reazione in cui possiamo programmare la struttura». Questo controllo offre prospettive per future applicazioni. In futuro, i vetri organometallici potrebbero essere utilizzati nella catalisi, come sensori o nell’optoelettronica. Poiché i centri metallici possono ora essere manipolati in modo specifico, si aprono nuove strade per lo sviluppo di componenti in grado di controllare con precisione la luce, il magnetismo o le reazioni chimiche.
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