Creato un nuovo tipo di vetro in grado di intrappolare CO2 e idrogeno.

Il team di ricerca internazionale, che comprendeva scienziati della TU Dortmund e dell’Università di Birmingham, ha pubblicato i risultati sulla rivista Nature Chemistry il 4 maggio. Il loro lavoro dimostra che i vetri MOF possono essere modificati e ingegnerizzati utilizzando metodi simili a quelli impiegati da tempo per il vetro convenzionale.

I ricercatori hanno scoperto che l’introduzione di piccole molecole chimiche contenenti sodio o litio modifica sia la struttura che il comportamento del materiale. Gli additivi abbassano la temperatura alla quale il vetro si ammorbidisce e lo rendono più fluido quando riscaldato, il che potrebbe semplificare la produzione.

Questa scoperta crea un nuovo quadro di riferimento per la progettazione di vetri MOF personalizzati per tecnologie avanzate. Le potenziali applicazioni includono la separazione dei gas, lo stoccaggio di sostanze chimiche, rivestimenti avanzati e sistemi di energia pulita.

Il dottor Dominik Kubicki dell’Università di Birmingham ha affermato: “Il vetro fa parte della civiltà umana da millenni. Dall’antica Mesopotamia ai moderni cavi in ​​fibra ottica, piccole quantità di modificatori chimici facilitano la lavorazione del vetro e ne modificano le proprietà funzionali.

“Tuttavia, i vetri MOF si ammorbidiscono solo ad alte temperature, superiori a 300 °C, prossime alla loro temperatura di degradazione, il che rende la produzione complessa e ne limita l’utilizzo. Questa scoperta apre nuove possibilità per i futuri materiali ad alte prestazioni.”

Il sodio modifica la struttura del vetro MOF

Uno dei vetri MOF più conosciuti è lo ZIF-62, un materiale poroso che può essere fuso e raffreddato per ottenere un vetro, mantenendo al contempo parte dei suoi pori interni. Questi pori lo rendono utile per applicazioni quali la separazione dei gas, le membrane e la catalisi.

Il professor Sebastian Henke dell’Università Tecnica di Dortmund ha spiegato: “Il nostro approccio si ispira al modo in cui i vetri silicatici convenzionali sono stati modificati: interrompendo la struttura reticolare per regolare il comportamento di fusione e le proprietà meccaniche.

“Il nostro studio dimostra che lo stesso principio può essere applicato ai vetri ibridi metallo-organici. Questo progresso avvicina i vetri MOF alla produzione e alle applicazioni concrete nei settori della separazione e dello stoccaggio dei gas, della catalisi e altro ancora.”

Per comprendere esattamente come gli additivi di sodio abbiano modificato il materiale, i ricercatori hanno utilizzato tecniche di analisi avanzate. Gli scienziati dell’Università di Birmingham, guidati dai dottori Dominik Kubicki e Benjamin Gallant, hanno condotto studi a livello atomico sulla struttura del vetro modificato e hanno effettuato esperimenti di spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) allo stato solido ad alta temperatura presso la struttura UK High-Field Solid-State NMR Facility.

Il loro lavoro ha rivelato come gli ioni di sodio si integrino nella rete vetrosa e indeboliscano alcuni dei legami all’interno della struttura.

La modellazione tramite intelligenza artificiale rivela cambiamenti a livello atomico.

Un altro team di Birmingham, guidato dal professor Andrew Morris e dal dottor Mario Ongkiko, ha utilizzato la modellazione computazionale basata sull’intelligenza artificiale per interpretare i complessi dati NMR. Le simulazioni assistite dall’apprendimento automatico hanno mostrato come il sodio interagisce con il vetro a livello atomico, confermando i risultati sperimentali.

I risultati combinati, ottenuti tramite esperimenti e calcoli computazionali, hanno dimostrato che il sodio non si limita a occupare gli spazi vuoti all’interno del materiale. Alcuni atomi di sodio, infatti, sostituiscono gli atomi di zinco, allentando leggermente la struttura del vetro e modificandone le proprietà.

Ora che gli scienziati hanno una migliore comprensione di come modificare questi materiali, i ricercatori affermano che sono necessari ulteriori studi per migliorarne la stabilità, prevederne il comportamento con maggiore precisione e valutarne le prestazioni nelle tecnologie del mondo reale.

Lo studio ha coinvolto ricercatori della Technische Universität Dortmund, dell’Università di Birmingham, della Ruhr-Universität Bochum, della SRM University-AP, dell’Università Tecnica di Monaco e dell’Università di Cambridge.

Abstract

La modifica delle composizioni del vetro è fondamentale per creare vetri a base di silicati per tecnologie quali fibre ottiche, supporti catalitici, rivestimenti protettivi e membrane di separazione. Qui estendiamo questo concetto ai vetri a struttura metallo-organica (MOF) modificando il formatore di vetro MOF ZIF-62 con Li(bim) e Na(bim) come modificatori di vetro compatibili (benzimidazolato, bim ⁻ Il raffreddamento rapido di miscele fisiche con contenuto crescente di Na(bim) produce vetri MOF modificati che mostrano una diminuzione sistematica della temperatura di transizione vetrosa ( ) _Tg , accompagnata da una maggiore fragilità del liquido, capacità termica configurazionale a Tg _{e densità: in parallelo con la chimica del vetro silicatico} attraverso una parziale depolimerizzazione della rete. L’analisi strutturale e spettroscopica, unitamente ai calcoli di teoria del funzionale della densità, conferma che Na(bim) è incorporato in modo omogeneo nella struttura vetrosa MOF piuttosto che nei pori e rivela la presenza di ambienti di ioni sodio sottocoordinati. Infine, l’estrazione del modificatore mediante trattamento con acqua aumenta la porosità del vetro, in modo simile ai processi consolidati per il vetro borosilicato. Questo lavoro introduce un approccio trasferibile per la personalizzazione della struttura e delle proprietà dei vetri MOF.