Materiali mesoporosi: proprietà

Secondo la I.U.P.A.C. i materiali mesoporosi sono materiali nanoporosi contenenti pori con diametri compresi tra 2 e 50 nm.

I materiali mesoporosi, i cui primi studi furono fatti presso la Waseda University in Giappone e  pubblicati nel 1990, sono una classe di materiali nanostrutturati che possiedono aree superficiali elevate, grandi volumi di pori e particelle nano o micro.

I materiali porosi e, in particolare i materiali mesoporosi, hanno attirato l’attenzione per i loro utilizzi in molti campi, tra cui applicazioni chimiche, ambientali, energetiche, ottiche, elettroniche, mediche e biotecnologiche. Il grande potenziale applicativo dei materiali mesoporosi è dovuto alle loro strutture regolari dei pori che risultano fondamentali per l’assorbimento, la selezione, il rilevamento, la rimozione, lo stoccaggio e il rilascio dei materiali.

struttura
struttura

Secondo una definizione della I.U.P.A.C. i materiali porosi sono classificati in tre categorie principali a seconda della dimensione dei pori: materiali microporosi con dimensioni dei pori inferiori a 2 nm, materiali mesoporosi con dimensioni dei pori comprese tra 2 e 50 nm e materiali macroporosi con dimensioni dei pori superiori a 50 nm.  Tra gli esempi di materiali mesoporosi vi sono le zeoliti, quelli a base di silice, nitruro di carbonio e ossidi metallici.

Le funzionalità di grandi molecole complesse, che possono dipendere dai loro cambiamenti conformazionali flessibili, dal movimento o dalla diffusione, hanno maggiori probabilità di essere preservate all’interno dei mesopori. Di conseguenza, i materiali mesoporosi ordinati preparati attraverso l’autoassemblaggio di tensioattivi hanno attirato un crescente interesse grazie alle loro proprietà speciali che includono mesopori uniformi e aree superficiali elevate specifiche.

Sintesi di materiali mesoporosi

La maggior parte delle strategie di sintesi di materiali mesoporosi  si basa sull’uso di molecole modello organiche che fungono da agenti che dirigono la struttura attorno alle quali si condensa il precursore. Il primo metodo detto soft-template dopo la formazione della mesofase, il template organico viene allontanato tramite calcinazione o estrazione con formazione di strutture mesoporose ordinate le cui dimensioni dei mesopori possono essere regolate utilizzando diversi tensioattivi.

sintesi
sintesi

I vari materiali utilizzati nella formazione del template sono tensioattivi cationici, anfifilici e anionici, tensioattivi chirali modificati con peptidi, emulsioni, liquidi ionici e materiali biologici. In questo approccio possono essere utilizzati, quali precursori della matrice mesoporosa, tetraalcossisilani, alcossisilani organo-funzionalizzati, alcolani metallici e silice micronizzata, conosciuta anche come silice pirogenica o colloidale.

Questa strategia sintetica offre il vantaggio di avere un controllo preciso della formazione della mesofase, della morfologia delle particelle, del diametro dei pori, della microporosità e della mesoporosità attraverso la modifica delle condizioni di sintesi come l’aggiunta di agenti rigonfianti e co-tensioattivi, presenza di sali inorganici e variazione di temperatura.

hard template
hard template

Il secondo metodo, detto hard-template, è una tecnica che si basa sull’utilizzo di modelli preformati costituiti da aggregati di nanoparticelle, carbonio o silice mesoporosa. In questo caso, il modello mesoporoso viene caricato con materiali organici come, ad esempio il saccarosio, e il riempitivo organico viene carbonizzato sotto vuoto. La dissoluzione del guscio di silice mediante idrossido di sodio o acido fluoridrico fa sì che emerga la struttura di carbonio.

Silice mesoporosa

La silice mesoporosa è un reticolo con struttura porosa a nido d’ape la cui struttura è costituita da silice amorfa, ricca di canali vuoti e mesopori, con un elevato numero di gruppi idrossilici nella superficie esterna. I materiali di silice mesoporosa possono avere diverse morfologie macroscopiche che possono essere regolate controllando le condizioni di sintesi, vale a dire la temperatura, il pH della soluzione, il rapporto tensioattivo/silice, la natura dei tensioattivi e la natura delle fonti di silice.

silice mesoporosa
silice mesoporosa

Le nanoparticelle di silice mesoporosa hanno applicazioni che vanno dalla catalisi, alla rimozione di sostanze chimiche inquinanti e alla biomedicina. Oltre alla loro biocompatibilità, i vantaggi delle nanoparticelle di silice mesoporosa sono associati alla loro elevata area superficiale e alla facile sintonizzabilità della superficie. Spesso sono descritte come nanospugne per la loro capacità di assorbire grandi quantità di molecole disciolte in soluzione grazie alla loro elevata area superficiale.

La porosità, che può essere controllata nel corso della preparazione, porta alla formazione di distribuzioni delle dimensioni dei pori molto strette in modo che le nanoparticelle possano adsorbire selettivamente molecole di una dimensione specifica consentendo la separazione delle molecole mediante esclusione dimensionale.

Rispetto alla sintesi delle normali nanoparticelle di silice che generalmente seguono il processo Stöber, le nanoparticelle vengono sintetizzate in una soluzione acquosa in presenza di un catalizzatore e di tensioattivo che si coordinano per formare micelle con concentrazione crescente al fine di stabilizzare le code idrofobiche.

L’elevata area superficiale, la facile modifica superficiale e la biocompatibilità rendono questo materiale utile per la somministrazione mirata di principi farmaceutici consentendo di trasportare quantità maggiori del farmaco desiderato rispetto ai metodi convenzionali.

Rispetto ad altri metodi di somministrazione di farmaci le proprietà delle nanoparticelle di silice mesoporosa consentono di raggiungere carichi di farmaco elevati, dimensioni dei mesopori e forme/connettività dei pori regolabili, facile funzionalizzazione chimica, controllo della dimensione delle particelle e forma, degradabilità idrolitica in condizioni biologicamente rilevanti che producono prodotti di degradazione biocompatibili e buona biocompatibilità complessiva.

L’elevata capacità di caricamento del farmaco consente di utilizzare quantità di nanoparticelle inferiori rispetto ad altri metodi. Inoltre, la posizione del farmaco all’interno del sistema dei mesopori può proteggere il farmaco dalla degradazione enzimatica fino al rilascio e questi materiali possono quindi anche migliorare la farmacocinetica del farmaco. Le nanoparticelle di silice mesoporosa consentono il rilascio di molte classi diverse di bioattivi, che vanno dai farmaci costituiti da molecole di piccole dimensioni, ai peptidi, alle proteine e agli enzimi.

Catalizzatori mesoporosi

I materiali mesoporosi catalitici presentano una struttura dei pori unica con vuoti e canali interconnessi, che conferiscono loro porosità e un’ampia superficie. Sono stati sviluppati vari materiali catalitici mesoporosi, come, ad esempio, materiali di carbonio mesoporosi, ossidi metallici, strutture metallo-organiche (MOFs) e silice mesoporosa.

Questi materiali hanno caratteristiche che dipendono dalle materie prime e dai metodi di sintesi utilizzati. Sono utilizzati vari ossidi metallici come riempitivi come ossido di alluminio, biossido di zirconio, biossido di titanio e ossido di zinco che hanno buone prestazioni come catalizzatori.

Tra i materiali mesoporosi ad attività catalitica vi è il carbonio mesoporoso le cui prestazioni sono influenzate dalla modifica o funzionalizzazione dei gruppi funzionali sulla sua superficie. Tra i materiali mesoporosi ad attività catalitica vi sono i MOFs che sono una classe di materiali cristallini costituiti da ioni metallici o cluster coordinati con leganti organici. Questi materiali hanno una struttura altamente ordinata con una disposizione ordinata di nodi o gruppi metallici interconnessi da collegamenti organici, formando una struttura tridimensionale con un’elevata area superficiale e porosità.

 

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