Ecco AzoPORE, la spugna molecolare che si strizza con la luce

Ha l’aspetto di una comune polvere cristallina, ma al suo interno è attraversato da microscopici canali, centomila volte più sottili di un capello, che ne percorrono l’intero volume. Si chiama AzoPORE ed è un nuovo materiale molecolare in grado di assorbire selettivamente l’anidride carbonica e di rilasciarla quando viene esposto alla luce solare.

A progettare, realizzare e infine collaudare AzoPORE - riferisce un articolo pubblicato oggi dalla prestigiosa rivista scientifica Nature Chemistry - è stato un team di ricercatori del Dipartimento di Chimica “G. Ciamician” dell’Università di Bologna, coordinato da Massimo Baroncini, Fabrizia Grepioni e Alberto Credi, e del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca, coordinato da Angiolina Comotti.

AzoPORE sta per "AZObenzene nanoPORous matErial" ed è costituito da cristalli contenenti molteplici cavità di dimensioni nanometriche (milionesimi di millimetro) che gli permettono di assorbire notevoli quantità di gas. Si tratta di un autentico “gruviera artificiale”: basti pensare che un solo grammo di AzoPORE ha un’area superficiale pari a quella di un campo da tennis.

La novità esclusiva di AzoPORE è la sua sensibilità alla luce, resa possibile grazie alla sua struttura molecolare derivata da una particolare combinazione di quattro unità di azobenzene. L’azobenzene è una molecola molto studiata perché in grado di cambiare forma (da lineare a piegata) quando è illuminata. AzoPORE sfrutta appieno questa particolare capacità: quando sono illuminate le sue molecole assumono una nuova forma, provocando un rapido collasso della struttura cristallina, con il conseguente smantellamento dei canali e il rilascio di molecole di CO2 intrappolate nei pori.

AzoPORE è un materiale totalmente riutilizzabile perché la suo struttura cristallina e sua la porosità vengono ripristinate scaldando il materiale (bastano pochi minuti a 100°C). Pertanto, illuminare AzoPORE ha un effetto simile a strizzare una spugna intrisa d’acqua, con la differenza che AzoPORE assorbe preferenzialmente l’anidride carbonica, ovvero il principale responsabile del riscaldamento globale.

AzoPORE possiede un’affinità per l’anidride carbonica ottanta volte superiore a quella per l’azoto, il maggiore componente dell’aria, una delle più alte selettività riportate per un materiale molecolare. Il nuovo materiale molecolare rappresenta quindi il capostipite di una nuova classe di sostanze capaci di assorbire e rilasciare in maniera reversibile mediante stimoli di natura luminosa molecole gassose intrappolate nella sua struttura cava. L’illuminazione di AzoPORE, oltre a rilasciare il gas intrappolato, provoca la trasformazione della polvere solida cristallina di partenza in un liquido viscoso. Questo effetto di “fotofusione” è di grande interesse tecnologico per le sue possibili ricadute nei settori della fotolitografia, della olografia e degli adesivi. AzoPORE, infine, è molto semplice da produrre e si ottiene da materie prime facilmente reperibili: un chilo di materiale puro preparato in laboratorio, quindi senza ricorrere ad ingegnerie di processo ed economie di scala, costa poche decine di euro.

AzoPORE è il risultato di un progetto nato circa tre anni fa, che si inserisce in una linea di ricerca congiunta tra i Laboratori di Nanoscienze Fotochimiche e di Crystal Engineering dell’Università di Bologna e quello di Materiali Nanostrutturati Porosi dell’Università di Milano-Bicocca.

Il concetto fondamentale a cui si ispira questa ricerca è la realizzazione di materiali macroscopici con caratteristiche speciali componendo fra loro oggetti nanometrici. Questi oggetti sono costituiti da molecole complesse, opportunamente progettate e costruite dai chimici in modo da avere proprietà predeterminate, tali da conferire al materiale risultante delle caratteristiche uniche. Ed è esattamente ciò che accade in AzoPORE, dove la rigidità delle molecole costituenti determina la porosità dei cristalli, mentre la loro capacità di cambiare forma sotto l’azione della luce si traduce nella fotoelasticità dell’intero materiale.

Come ampiamente dimostrato negli ultimi anni, lo sviluppo di materiali innovativi capaci di mutare le loro caratteristiche in risposta a stimoli esterni rappresenta un impulso fondamentale per il progresso tecnologico. In particolare, sostanze che sfruttano l’azione della luce solare - una fonte di energia abbondante, economica, rinnovabile e pulita - per svolgere funzioni utili sono di notevole interesse. Nel compiere queste ricerche i chimici operano alla stregua degli ingegneri e degli architetti, manipolando però sistemi un miliardo di volte più piccoli, dal momento che i loro “mattoncini” sono atomi e molecole.

La realizzazione di materiali e dispositivi artificiali di dimensioni nanoscopiche è di grande interesse per lo sviluppo della nanotecnologia, cioè di una tecnologia che permette di costruire strutture con dettagli nanometrici. Molti ritengono che la nanotecnologia porterà non solo a materiali più leggeri e più resistenti e a computer più piccoli e più potenti, ma rivoluzionerà anche la medicina e altri settori della scienza e della tecnologia.

Lo sviluppo di nuovi materiali porosi è di grande importanza sia pratica che scientifica: l’impiego per immagazzinare gas combustibili a bassa pressione o l’utilizzo come filtri per separare gas nocivi sono solo alcuni esempi di applicazioni tecnologiche immediate. Sono infatti molti i materiali naturali e artificiali sviluppati capaci di assorbire gas e composti volatili, ma sono pochissimi gli esempi di materiali porosi “intelligenti”, ovvero in grado di rispondere a stimoli esterni mutando le loro proprietà di assorbimento. AzoPORE rappresenta il primo esempio di materiale molecolare poroso sensibile a stimoli luminosi. Si tratta di una scoperta importante dal punto di vista scientifico che dimostra come lo studio delle trasformazioni indotte dalla luce sui materiali sia un campo di ricerca ancora molto vasto e inesplorato capace di sviluppare nuova conoscenza e tecnologie all’avanguardia.