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Metodi di calcolo all'avanguardia dell'USI aiutano a svelare i segreti dei materiali porosi

Immagine simulata di uno Zeolite (fonte: Istituto Eulero, USI)
Immagine simulata di uno Zeolite (fonte: Istituto Eulero, USI)

Servizio comunicazione istituzionale

2 Giugno 2021

La maggior parte dei materiali hanno una superficie apparentemente liscia, ma quando sottoposti a forte ingrandimento, si rivelano essere pieni di piccoli fori o pori. Le zeoliti, in particolare, hanno pori di diverse dimensioni che permettono loro di essere utilizzate in una serie di applicazioni diverse come la catalisi, il ramo della chimica che studia come accelerare le reazioni chimiche, un pilastro fondamentale per l'industria chimica. Tuttavia, rimangono molte domande fondamentali su ciò che accade effettivamente all'interno dei pori di una zeolite e, più precisamente, come l'acqua influenza il comportamento generale del sistema. Un gruppo di ricercatori, tra cui ricercatori attivi all'Istituto Eulero dell'USI, ha trovato risposte a queste domande, avanzando nuovi metodi per creare zeoliti.

Ad occhio nudo, la maggior parte dei materiali ha una superficie relativamente liscia. Ma ad alto ingrandimento, queste superfici possono essere piene di piccoli fori o pori. I materiali porosi servono una serie di scopi utili, dalla separazione di sostanze chimiche alla conversione di molecole organiche in prodotti o combustibili desiderati. Una di queste classi di materiali, le zeoliti, sono note per avere pori di diverse dimensioni che permettono loro di essere utilizzate in una serie di applicazioni diverse come la catalisi, il ramo della chimica che studia come accelerare le reazioni chimiche, un pilastro fondamentale per l'industria chimica. Tuttavia, rimangono molte domande fondamentali su ciò che accade effettivamente all'interno dei pori di una zeolite e, in particolare, come l'acqua influenza il comportamento generale del sistema. Poiché l'acqua è presente in molte trasformazioni chimiche chiave, la mancata comprensione del suo ruolo limita l'efficacia delle strategie volte a controllare la reattività della zeolite.

Un gruppo di ricercatori dell'Istituto Eulero (USI, Facoltà di scienze informatiche) a Lugano, del Pacific Northwest National Laboratory negli USA, e dell'Istituto Italiano di Tecnologia a Genova, ha utilizzato delle simulazioni al computer per spiegare come l'acqua all'interno dei pori della zeolite influenzi il loro comportamento nelle reazioni chimiche. I loro risultati aiutano a spiegare le precedenti osservazioni sperimentali e propongono un approccio alternativo al design di nuove zeoliti.

"La catalisi è il cuore pulsante della chimica, ma molti dei suoi aspetti fondamentali rimangono poco chiari. Queste simulazioni fanno luce su un problema fondamentale che ha importanti conseguenze in termini di tecnologia di conversione energetica e di chimica sostenibile. Il nostro obiettivo finale è capire meglio le proprietà dei materiali per migliorarne le prestazioni", spiega il ricercatore dell'Istituto Eulero GiovanniMaria Piccini, che ha lavorato a questo progetto all'USI coordinando il lavoro di dottorato di Emanuele Grifoni assieme al professor Michele Parrinello.

I risultati, pubblicati nella rivista Nature Communications, rivelano il ruolo molto dibattuto dell'acqua nelle zeoliti, mostrando che l'acqua forma degli ammassi sulle pareti dei pori, come il muschio su una roccia, indipendentemente dalle dimensioni dei pori o da altre proprietà della zeolite. Il gruppo di ricerca ha usato metodi statistici per modellare la chimica complessa, sottolineando così anche il successo dell'applicazione di un metodo computazionale all'avanguardia a un sistema catalitico e l'identificazione del ruolo dei cluster di acqua nel controllo dell'acidità della zeolite.

"I metodi che sviluppiamo all'Istituto Eulero ci permettono di studiare questi problemi da un'angolazione diversa e siamo entusiasti di usarli per analizzare problemi reali di rilevanza industriale e ambientale", aggiunge Piccini.

Per maggiori dettagli: www.newswise.com/doescience/water-clusters-control-zeolite-reactivity/?article_id=751104

L'articolo scientifico intitolato Confinement effects and acid strength in zeolites è attualmente inserito fra gli "Editor's features" sul sito di Nature Communications >> www.nature.com/collections/wtpqpqpgwd