Le stelle in nanoscala gettano luce su processi di adsorbimento e depurazione altamente controllati
La capacità dei solidi di attrarre e «trattenere» le sostanze sulla loro superficie (adsorbimento) viene regolarmente sfruttata nei processi di depurazione e separazione. Il carbone attivo è un esempio di un semplice solido utilizzato nei comuni filtri dell’acqua di consumo e nelle maschere per rimuovere i gas velenosi dal campo di battaglia. Un migliore controllo sulle nuove funzionalità dei materiali adsorbenti può aumentarne la selettività, la sensibilità e l’efficacia. Con il sostegno del programma Marie Skłodowska-Curie, il progetto NANODRIVE ha condotto studi teorici, computazionali e sperimentali sull’adsorbimento su nanoscala. La comprensione dei meccanismi apre la strada alla progettazione razionale di nanoparticelle specializzate per l’adsorbimento e il rilascio di sostanze in aree critiche come le tecnologie ambientali, industriali e mediche.
La potenza in cifre
NANODRIVE si concentra su speciali macromolecole chiamate copolimeri a di-blocchi. I polimeri sono molecole molto grandi composte da molte unità individuali più piccole (monomeri) legate tra loro. Quando due diversi tipi di monomeri si raggruppano insieme formando blocchi di unità ripetitive all’interno del polimero grande, la molecola risultante viene chiamata copolimero a di-blocchi. La doppia funzionalità fisica o chimica può essere utilizzata per orientare l’autoassemblaggio verso una fase ordinata o disordinata prestabilita. Ciò avviene attraverso un cambiamento controllato di parametri come la concentrazione, la temperatura, il pH o la natura chimica delle macromolecole polimeriche. La borsista del progetto, Barbara Capone, ha puntato sulla progettazione di copolimeri a di-blocchi per l’adsorbimento selettivo del «carico» in soluzione. In particolare, in qualità di fondatrice e amministratore delegato dell’ONG internazionale Sunshine4Palestine che si occupa di energia e acqua in situazioni di emergenza, la dott.ssa Capone ha puntato sull’adsorbimento di acqua potabile su larga scala in zone estremamente povere.
Scritto nelle stelle
NANODRIVE è iniziato con un sistema semplice, nanoparticelle d’argento e adsorbimento di ioni metallici in soluzione. Come spiega la dott.ssa Capone insieme al coordinatore del progetto Fabio Bruni: «Combinando indagini teoriche e sperimentali, siamo stati in grado di caratterizzare pienamente il percorso di adsorbimento di cobalto e ioni di nichel nelle nanoparticelle d’argento. Inoltre, abbiamo dimostrato che, con pochi parametri chimici o fisici, è possibile pilotare completamente sia il processo di agglomerazione che l’adsorbimento selettivo». Gli scienziati hanno quindi rivolto la loro attenzione al loro obiettivo principale, le stelle di copolimeri a di-blocchi in cui ogni punta di una stella è costituita da due parti. La parte interna interagisce con il carico e la parte esterna viene utilizzata per regolare e modificare la forma della macromolecola adsorbente. NANODRIVE ha aggiunto una seconda funzionalità alle punte esterne. La termosensibilità ha permesso a un leggero cambiamento di temperatura di bloccare il carico per la rimozione dalla soluzione acquosa.
La progettazione razionale degli adsorbitori in nanoscala soddisfa molte esigenze
Il team sta ora identificando le interazioni molecolari che consentiranno una progettazione razionale degli adsorbitori per sistemi biologici. Come spiegano Capone e Bruni, «Partendo dalle proprietà di adsorbimento di semplici polimeri a stella omopolimerici, abbiamo progettato un insieme di macromolecolari in grado di caricare i carichi e riconoscere i metalli pesanti in una soluzione complessa e affollata cambiando la composizione chimica o la geometria delle nanoparticelle». La caratterizzazione completa dell’adsorbimento in nanoscala di NANODRIVE apre la strada all’applicazione in una varietà di campi, in particolare nelle applicazioni ambientali e biomediche.
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