Materiali organici porosi per l’assorbimento dei gas

Materiali nanostrutturati con pori ben definiti sono oggetto di intense attività di ricerca e sviluppo finalizzate all’utilizzo di queste risorse nell’ambito del rilevamento, dello stoccaggio e della separazione dei gas. Le zeoliti, le argille, le strutture metallo-organiche e gli ossidi metallici mesoporosi rientrano tra i materiali attualmente studiati in settori quali ambiente, energia e biomedicina.

I solidi molecolari porosi potrebbero rivelarsi una valida alternativa. Le dimensioni dei pori e i gruppi funzionali che li rivestono si prestano infatti a essere modificati per raggiungere un livello estremamente elevato di selettività. Le variazioni dinamiche della struttura molecolare potrebbero inoltre essere sfruttate nell’ambito della progettazione di interruttori o attuatori macromolecolari. Il progetto POMOS (“Synthesis and characterization of porous molecular solids”), finanziato dall’UE, ha puntato i riflettori sui calixareni e i ciclopeptoidi come materiali di base per dispositivi caratterizzati da interazioni gas-solido a livello atomico.

I calixareni e i ciclopeptoidi sono entrambi composti organici macrociclici che formano cavità in grado di contenere molecole o ioni di piccole dimensioni alla base di sistemi ospite/ospitante. I primi sono già stati efficacemente utilizzati come molecole di base di materiali nanostrutturati, mentre i secondi sono relativamente sconosciuti.

Nell’ambito di esperimenti preliminari sono già stati sintetizzati e caratterizzati nuovi calixareni e ciclopeptoidi. I risultati ottenuti dalla caratterizzazione dei calixareni mediante l’utilizzo di tecniche di diffrazione a cristallo singolo e di diffrazione di raggi X di polveri, nonché di analisi termiche, sono stati presentati all’occasione del Congresso europeo di cristallografia tenutosi nel 2013 e nell’ambito di due pubblicazioni.

Anche i composti a base di calixareni sono stati sottoposti a prove tese allo studio delle proprietà di assorbimento dei gas in condizioni non ambientali mediante l’utilizzo di una cella di gas su misura. Questa configurazione consente agli scienziati di caratterizzare le interazioni ospite/ospitante con risoluzione atomica ai fini della caratterizzazione dei meccanismi di assorbimento.

I dati ottenuti attraverso l’utilizzo della cella di gas presso impianti di grandi dimensioni per la radiazione di sincrotrone e la diffrazione di neutroni integrano gli altri metodi di caratterizzazione. Queste strutture sono in grado di attuare tecniche di diffrazione di raggi X a cristallo singolo in loco in caso di ottenimento di cristalli singoli estremamente piccoli (10 micron) e/o tecniche di diffrazione di raggi X di polveri a elevata risoluzione in loco in caso di ottenimento delle polveri cristalline.

Le efficaci strategie alla base della caratterizzazione dell’assorbimento dei gas e il rilascio di nuovi materiali porosi molecolari si riveleranno estremamente utili nell’ambito dello sviluppo di nuovi dispositivi per il rilevamento, la separazione e lo stoccaggio dei gas. L’enorme interesse commerciale suscitato da queste tecnologie contribuirà a conferire all’UE una posizione di primo piano in un importante mercato globale.