Riassunto:
Nel campo della scienza dei materiali, il vetro ha attirato molta attenzione grazie alla sua struttura atomica disordinata unica e all'ampia gamma di applicazioni quotidiane e industriali. Tuttavia, l’incontrollabilità durante la lavorazione a temperature estremamente elevate ha limitato a lungo lo sviluppo di nuovi vetri funzionali. Un gruppo internazionale di ricerca scientifica congiunta dell’Università di Birmingham (Regno Unito) e dell’Università TU Dortmund (Università TU Dortmund) in Germania ha compiuto progressi rivoluzionari. I ricercatori hanno abilmente attinto ad antiche strategie chimiche utilizzate nella tradizionale produzione del vetro silicato per migliaia di anni e sono riusciti a ottenere una ricostruzione precisa e un controllo chimico della struttura atomica interna del vetro a struttura metallo-organica (MOF) durante il processo di fusione, conferendo a questo tipo di materiale all’avanguardia nuove proprietà fisiche e vantaggi di lavorazione.
Essendo un nuovo materiale ibrido inorganico-organico che combina profondamente ioni metallici con ligandi organici, il vetro MOF (come ZIF-62) ha una struttura microporosa unica e mostra un grande potenziale applicativo nei campi della cattura dell'anidride carbonica, dello stoccaggio dell'idrogeno, della desalinizzazione dell'acqua di mare e della separazione avanzata tramite membrana. Tuttavia, il tradizionale vetro MOF spesso necessita di essere riscaldato a temperature elevate, superiori a 300°C, per ammorbidirsi e sciogliersi. Questa temperatura è estremamente vicina al limite di decomposizione termica del materiale stesso, il che non solo aumenta notevolmente la difficoltà della lavorazione e dello stampaggio industriale su larga scala, ma distrugge anche facilmente la sua struttura chiave dei pori.
Per superare questo collo di bottiglia nella lavorazione, il team di ricerca scientifica ha rivolto la propria attenzione all'antica tecnologia di modifica del vetro. Nell'industria del vetro tradizionale, i lavoratori solitamente aggiungono una piccola quantità di composti di metalli alcalini come sodio o litio alla sabbia silicea per abbassare il punto di fusione e la viscosità. I ricercatori hanno trasferito questa logica al campo del vetro MOF e sono riusciti a ottenere un intervento efficiente nella rete di connessione atomica interna del materiale introducendo tracce di composti di sodio o litio durante il processo di fusione di ZIF-62.
Per rivelare questo processo di modificazione chimica su scala atomica, il team di ricerca ha utilizzato l'impianto nazionale britannico di risonanza magnetica nucleare (NMR) a stato solido ad alto campo per eseguire esperimenti di spettroscopia NMR a stato solido ad alta temperatura e li ha combinati con la modellazione computazionale di apprendimento automatico basata sull'intelligenza artificiale per osservare l'interazione tra l'additivo e la rete di vetro in tempo reale. I dati mostrano che gli ioni sodio aggiunti non solo riempiono i micropori all’interno del materiale, ma sostituiscono anche direttamente alcuni atomi di zinco, dissociandosi localmente e ricostruendo la fitta rete reticolare originale. Questa riorganizzazione della microstruttura riduce significativamente la temperatura di rammollimento del materiale e migliora notevolmente la sua fluidità allo stato fuso, pur mantenendo nella massima misura le caratteristiche originali dei pori del materiale.
Gli esperti del settore hanno sottolineato che questa ricerca ha dimostrato con successo che il principio di modifica del tradizionale vetro ai silicati è pienamente applicabile ai moderni materiali ibridi metallo-organici complessi. Riscrivendo accuratamente la struttura chimica e atomica del vetro MOF allo stato fuso, i ricercatori non solo hanno ridotto il consumo energetico di produzione e la soglia di processo di questo tipo di materiali ad alte prestazioni, ma hanno anche aperto un ampio percorso scientifico per il futuro sviluppo di nuovi vetri tecnici di prossima generazione con specifiche funzioni di adsorbimento di gas, catalisi e separazione altamente selettiva.
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