Metal organic frameworks: sintesi, applicazioni

metal organic frameworks (MOFs), sono materiali porosi cristallini ibridi organici-inorganici costituiti da una serie regolare di ioni metallici circondati da molecole organiche
Sono reticoli metallorganici composti da una rete tridimensionale di ioni metallici tenuti in posizione da molecole organiche multidentate

I metal organic frameworks  hanno dimostrato di essere materiali porosi estremamente potenti nella cattura di ioni metallici tossici e radioattivi e di biossido di carbonio.
Presentano, infatti, il vantaggio di avere una struttura porosa e controllabile,  buona selettività e capacità di adsorbimento e ottima stabilità rispetto ai materiali tradizionali

Proprietà

Le proprietà fisico-chimiche dei materiali sono governate dagli effetti sinergici di strutture e composizione

Un fattore importante è l’area superficiale specifica definita come l’area superficiale totale per unità di massa.

Poiché le proprietà catalitiche e adsorbenti dei materiali aumentano con l’aumento dell’area superficiale specifica  è necessario utilizzare i leganti organici e i collegamenti con gli ioni metallici centrali per ottenere materiali con proprietà idonee. I metal organic frameworks possono inoltre esibire una stabilità termica maggiore rispetto ai polimeri pur presentando una analoga flessibilità

Sintesi di metal organic frameworks 

Introdotti alla fine degli anni ’90 a causa delle loro applicazioni in molti campi, molti ricercatori hanno cercato metodi di sintesi semplici con basso consumo energetico e basso costo delle materie prime.

Nel 1995, il professor Yaghi proposte una sintesi utilizzando una soluzione mista di sale inorganico e composti organici. La soluzione è posta in un recipiente di reazione sigillato e  per riscaldata per formare una struttura insolubile  e le sostanze precipitano e formano cristalli.

Nel 2005 il MOFs denominato HKUST-1 costituito da unità metalliche dimeriche collegate da acido benzene-1,3,5-tricarbossilico fu ottenuto per via elettrochimica.

Dal 2013 si sono sviluppati altri metodi che utilizzano reattori a flusso continuo che offrono la possibilità di ottimizzare le proprietà fisico-chimiche come la dimensione dei cristalli ottimizzando le condizioni di reazione come temperatura, tempo di permanenza e concentrazione del reagente.

Applicazioni

Le applicazioni dei MOFs che sfruttano la loro struttura a gabbia sono numerose e investono molti campi come stoccaggio, separazione e adsorbimeto di gas, separazione e purificazione di liquidi, stoccaggio di energia elettrochimica, catalisi e rilevamento.

Si riportano alcune delle innumerevoli applicazioni dei MOFs

Rimozione di metalli pesanti dall’acqua

Una struttura a base di ferro Fe(BTC) dove BTC è l’1,3,5-benzenetricarbossilato  trattato con dopamina che  polimerizza in polidopamina (PDA) blocca il polimero all’interno del MOF. Il composito finale, Fe-BTC/PDA, rimuove in modo rapido e selettivo elevate quantità di metalli pesanti come piombo e mercurio dai campioni di acqua .

Metal organic frameworks per la cattura di scorie nucleari

Nelle centrali nucleari e nei siti di rifiuti preesistenti, una specie difficile da rilevare sono gli ioduri organici radioattivi. Modificando chimicamente i MOFs con siti di legame che presentano azoto reattivo in grado di legarsi agli ioduri organici, gli scienziati hanno costruito trappole per lo ioduro di metile con un’elevata capacità.

Inoltre, l’adsorbente può essere riciclato più volte senza perdita di capacità, a differenza di altri assorbenti industriali noti.

Sensori di gas

Gli strumenti in grado di rilevare tracce di un gas specifico nell’aria sono macchine grandi, costose e ad alta intensità energetica.

Realizzando il MOF da diversi atomi di metallo e linker organici, i ricercatori possono creare materiali che assorbono selettivamente gas specifici in opportune cavità su misura all’interno della struttura.

An esempio un film sottile di MOF rivestito su un elettrodo, che forma un sensore elettronico è in grado di rilevare tracce di gas di anidride solforosa

Cattura del carbonio

Un particolare MOF mostra un meccanismo per la cattura e il rilascio di anidride carbonica in modo analogo all’enzima RuBisCO presente nelle piante, che cattura CO2 dall’atmosfera per la conversione in nutrienti.

La scoperta apre la strada alla progettazione di materiali che riducono drasticamente il costo energetico complessivo della cattura del carbonio. Tali materiali potrebbero essere utilizzati per la cattura del carbonio da centrali elettriche a combustibili fossili e dall’atmosfera, mitigando l’effetto serra.

Metal organic frameworks e vaccini

La capacità di stabilizzare i vaccini è necessaria per la loro distribuzione senza la dipendenza dalla logistica della “catena del freddo”.

I vaccini vivi attenuati sono ampiamente utilizzati ma la loro complessa composizione ne aumenta la suscettibilità allo stress termico. La  struttura porosa dei MOFs consente di funzionare come una barriera semipermeabile per il trasporto di materia biologica come proteine ​​o antigeni nei vaccini. Questa innovazione potrebbe aiutare gli operatori sanitari a trasportare e somministrare vaccini in aree remote

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