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Costruire materiali intelligenti di nuova generazione con la potenza del suono

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I ricercatori hanno utilizzato le onde sonore per manipolare con precisione atomi e molecole, accelerando la produzione sostenibile di materiali intelligenti rivoluzionari.

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Le strutture in metallo-organico, o MOF, sono nanomateriali incredibilmente versatili e super-porosi che possono essere utilizzati per immagazzinare, separare, rilasciare o proteggere quasi tutto.

Previsto per essere il materiale di definizione del 21° secolo, i MOF sono ideali per rilevare e intrappolare le sostanze a concentrazioni minime, per purificare l'acqua o l'aria, e possono anche contenere grandi quantità di energia, per migliorare le batterie e i dispositivi di immagazzinamento dell'energia.

Gli scienziati hanno progettato più di 88.000 MOF personalizzati con precisione - con applicazioni che vanno dall'agricoltura ai prodotti farmaceutici - ma il processo tradizionale per la loro creazione è insostenibile dal punto di vista ambientale e può richiedere diverse ore o addirittura giorni.

Ora i ricercatori della RMIT University di Melbourne, Australia, hanno dimostrato una tecnica pulita e verde che può produrre un MOF personalizzato in pochi minuti.

Il dottor Heba Ahmed, autore principale dello studio pubblicato su Nature Communications, ha detto che il metodo efficiente e scalabile sfrutta la potenza di precisione delle onde sonore ad alta frequenza.

"I MOF hanno un potenziale illimitato, ma abbiamo bisogno di tecniche di sintesi più pulite e veloci per sfruttare appieno tutti i loro possibili benefici", ha detto Ahmed, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di ricerca di Micro/Nanofisica del RMIT.

"Il nostro approccio acustico evita i danni ambientali dei metodi tradizionali e produce MOF pronti all'uso in modo rapido e sostenibile.

"Questa tecnica non solo elimina una delle fasi più lunghe della produzione di MOF, ma non lascia traccia e può essere facilmente scalata per una produzione di massa efficiente"

Dispositivo audio: come fare un MOF

Le strutture metallo-organiche sono polveri cristalline piene di piccoli fori di dimensioni molecolari.

Hanno una struttura unica - metalli uniti tra loro da legami organici - e sono così porosi che se prendete un grammo di un MOF e distribuite la sua superficie interna, coprirete un'area più grande di un campo da calcio.

Alcuni hanno previsto che i MOF potrebbero essere importanti per il 21° secolo quanto la plastica per il 20°.

Durante il processo di produzione standard, solventi e altri contaminanti rimangono intrappolati nei fori del MOF.

Per eliminarli, gli scienziati usano una combinazione di vuoto e alte temperature o solventi chimici dannosi in un processo chiamato "attivazione".

Nella loro nuova tecnica, i ricercatori RMIT hanno usato un microchip per produrre onde sonore ad alta frequenza.

Amgad Rezk, coautore ed esperto di acustica, ha detto che queste onde sonore, che non sono udibili dall'uomo, possono essere utilizzate per la micro e nanofabbricazione di precisione.

"Su scala nanometrica, le onde sonore sono strumenti potenti per l'ordinamento e le manovre meticolose di atomi e molecole", ha detto Rezk.

Gli "ingredienti" di un MOF - un precursore dei metalli e una molecola organica legante - sono stati esposti alle onde sonore prodotte dal microchip.

Utilizzando le onde sonore per organizzare e collegare questi elementi insieme, i ricercatori sono stati in grado di creare una rete molto ordinata e porosa, mentre allo stesso tempo "attivando" il MOF spingendo fuori i solventi dai fori.

Leslie Yeo, Illustre Professor Leslie Yeo, ha detto che il nuovo metodo produce MOF con fori vuoti e un'alta superficie, eliminando la necessità di "attivazione" post-sintesi.

"Le tecniche esistenti di solito richiedono molto tempo dalla sintesi all'attivazione, ma il nostro approccio non solo produce MOF in pochi minuti, ma sono già attivati e pronti per l'applicazione diretta", ha detto Yeo, professore di ingegneria chimica e direttore del laboratorio di ricerca Micro/Nanofisica al RMIT.

I ricercatori hanno testato con successo l'approccio ai MOF a base di rame e ferro, con la tecnica che può essere estesa ad altri MOF e scalata per una produzione efficiente ed ecologica di questi materiali intelligenti.