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Effects of confinement on inhomogeneous systems

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Una ricerca analizza il modo in cui il confinamento determina il comportamento della materia soffice

Alcune particelle o biomolecole formano spontaneamente vari modelli su micro o mesoscala che il confinamento può modificare considerevolmente. Il controllo dei modelli intriganti che ne derivano potrebbe favorire la progettazione di materiali che presentino le proprietà desiderate, come ad esempio lo stoccaggio dell’energia.

Ricerca di base

Il confinamento della materia in spazi ridotti svolge un ruolo cruciale negli organismi viventi, per i quali i processi importanti avvengono all’interno di organuli circondati da membrane oppure al di sopra di queste ultime. Lo spazio a disposizione delle particelle è limitato anche quando esse vengono adsorbite su una superficie o confinate all’interno di rocce porose o spugne, dove le dimensioni dei pori a forma di fessura, cilindrici o a rete variano tra i nano e i micro metri. «Un altro esempio di confinamento al di sotto della scala dei 100 nm è rappresentato dai capsidi dei virus. Le proteine si autoassemblano per formare un capside che ospita un filamento di DNA o RNA. Nella scienza dei materiali, le particelle assemblate in uno spazio confinato vengono sfruttate per produrre nuovi materiali dotati di proprietà insolite (metamateriali)», osserva Alina Ciach, coordinatrice del progetto. Ispirato dal ruolo primario del confinamento in natura, il progetto CONIN, finanziato dall’UE, ha approfondito le modalità con cui diversi tipi di confinamento migliorano o sopprimono modelli che si verificano spontaneamente su diverse scale di lunghezza e come questi possano essere sfruttati nelle tecnologie moderne. La ricerca è stata finanziata dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie Marie.

Fenomeni intriganti derivanti dal confinamento di particelle autoassemblate

L’adsorbimento modifica le proprietà della superficie. «L’adsorbimento di particelle cariche che si attraggono a breve distanza grazie a forze mediate da solvente può essere soppresso dalla loro repulsione elettrostatica a lungo raggio. Di conseguenza, gli ammassi di particelle adsorbite separati da regioni vuote formano un “merletto” con un motivo esagonale o a strisce. L’aggiunta di un secondo tipo di particelle con interazioni opportunamente regolate porta alla formazione di uno strato spesso e modellato di particelle, che ricopre la superficie come una coperta spessa e bicolore», spiega Ciach. Il team del progetto ha rivelato che pareti di confinamento con chimica, dimensioni e forma diverse possono distruggere, potenziare o modificare i modelli di particelle, cluster e ioni che si formano spontaneamente, oppure indurre modelli completamente nuovi. Gli stessi modelli sono stati osservati scalando opportunamente le dimensioni dei cluster in vari sistemi (proteine globulari, nanoparticelle o particelle colloidali). Pertanto, i risultati di un modello fungono da input per prevedere le proprietà corrispondenti di sistemi diversi. Fenomeni di confinamento particolarmente sorprendenti si verificano quando le particelle si auto-assemblano in ammassi cilindrici (colonne). «Queste colonne sono flessibili, si comportano come corde flessibili (o spaghetti cotti) che vengono impacchettate in un determinato modo a seconda della forma e delle dimensioni del recipiente di confinamento. All’interno dei cilindri, i nostri “spaghetti” formano delle “spirali”», osserva Ciach.

Come gli ioni confinati potrebbero aumentare la capacità di stoccaggio

Il movimento in spazi confinati di liquidi ionici ed elettroliti determina le prestazioni dei dispositivi di stoccaggio dell’energia. Gli elettrodi porosi si prestano all’uso nei condensatori, poiché la capacità aumenta con l’aumentare dell’area superficiale. «Tuttavia, i co-ioni nei pori molto sottili sono bloccati dai contro-ioni adsorbiti, il che rallenta notevolmente la dinamica di carica. Utilizzando simulazioni al computer, abbiamo approfondito la possibilità di accelerare le dinamiche di ricarica scegliendo con criterio il protocollo di ricarica. Inoltre, abbiamo cercato di aumentare l’energia e la carica immagazzinata nei mesopori mescolando il liquido ionico con un solvente neutro e scegliendo elettrodi ionofili/ionofobi adeguati», spiega Ciach. Nei condensatori a fessura con pareti ionofile, le transizioni di ionizzazione/deionizzazione che avvengono al variare della tensione o della temperatura sono accompagnate da salti nell’energia immagazzinata. Queste variazioni possono essere sfruttate in applicazioni deputate alla conversione del calore in energia elettrica. Il team ha anche rivelato una correlazione tra la capacità di immagazzinare energia e l’ordinamento degli ioni all’interno di un poro ultra-stretto privo di carica, dimostrando che le strutture ioniche ordinate spostano il processo di carica verso tensioni più elevate, in modo da aumentare la densità di energia. I risultati del progetto rappresentano soltanto una piccola parte delle conclusioni raggiunte nell’ambito di CONIN. Tutti i risultati sono stati pubblicati all’interno di numerose riviste sottoposte a revisione paritaria.

Parole chiave

CONIN, confinamento, stoccaggio dell’energia, formazione di modelli, adsorbimento, liquido ionico, particelle auto-assemblate

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