Scoperti nuovi minerali in Siberia con stessa struttura materiali sintetici


    Attualmente nell’ambito dello sviluppo di nuovi materiali diversi gruppi di ricercatori stanno concentrando i propri studi su di una classe di materiali solidi porosi conosciuti come strutture metallo-organiche, o MOF (metal-organic frameworks). Tali materiali artificiali sono stati introdotti negli anni ‘90 e da quel momento gli scienziati stanno lavorando per trovare diverse applicazioni pratiche come ad esempio, spugne molecolari per lo stoccaggio dell'idrogeno, lo stoccaggio del carbonio o applicazioni nel settore dell’energia solare proveniente da impianti fotovoltaici.

     

    Immagine 1 - singoli cristalli di zhemchuzhnikovite sintetica, preparato da Igor Huskić, McGill University. Credit: Igor Huskić, gruppo di ricerca Friščić, McGill UniversityImmagine 1 - singoli cristalli di zhemchuzhnikovite sintetica, preparato da Igor Huskić, McGill University. Credit: Igor Huskić, gruppo di ricerca Friščić, McGill University

     

    Recentemente, una sorprendente scoperta fatta da alcuni scienziati in Canada e in Russia ha rivelato che i minerali appartenenti alla classe MOF esistono anche in natura — anche se nella forma di minerali rari trovati finora solo nelle miniere di carbone siberiane.

     

    La scoperta, pubblicata sulla rivista Science Advances, «cambia completamente il nostro punto di vista su questi materiali estremamente diffusi, non parliamo più di materiali solidi esclusivamente progettati dall’uomo» scrive Tomislav Friščić, ricercatore e senior author dello studio nonché professore associato di chimica presso la McGill University di Montreal. «L’aver scoperto questi minerali MOF rari in natura lascia aperta l’ipotesi che potrebbero essercene degli altri più abbondanti».

     

    Il percorso tortuoso che ha portato alla scoperta è iniziato sei anni fa, quando Friščić si è imbattuto in una menzione dei minerali stepanovite e zhemchuzhnikovite in una rivista canadese di mineralogia. La struttura cristallina dei minerali, trovati in Russia tra il 1940 e il 1960, non era stata completamente determinata. Tuttavia i mineralogisti russi che avevano scoperto tali minerali avevano analizzato sia la composizione chimica sia i parametri di base della struttura cristallina, utilizzando una tecnica nota come diffrattometria a raggi X. Per Friščić, quei parametri lasciavano intendere che i minerali potevano essere strutturalmente simili ad un tipo di minerali MOF di origine antropica.

     

    Immagine 2 - Forma aggregata di zhemchuzhnikovite sintetica, preparata da Igor Huskić, McGill University. Credit: Igor Huskić, gruppo di ricerca Friščić, McGill UniversityImmagine 2 - Forma aggregata di zhemchuzhnikovite sintetica, preparata da Igor Huskić, McGill University. Credit: Igor Huskić, gruppo di ricerca Friščić, McGill University

    Considerati questi indizi Friščić ha deciso di andare alla ricerca di campioni di minerali rari, mettendosi in contatto con esperti, venditori e curatori di musei in Russia e non solo. Dopo che la traccia promettente con il museo minerario di San Pietroburgo non ha portato i risultati sperati, Igor Huskić (uno studente di dottorato del gruppo di ricerca Friščić) ha concentrato la sua attenzione verso i minerali prodotti in laboratorio trovando così una corrispondenza tra i minerali.

    L'anno scorso, nonostante questo importante risultato, un’importante rivista si è rifiutata di pubblicare il lavoro svolto dai ricercatori in parte perché la descrizione originale dei minerali era stata segnalata su una rivista mineralogica russa poco attendibile.

     

    Dopo questa battuta d’arresto i chimici della McGill non si sono arresi e, grazie all'aiuto di un collega chimico specializzato in cristallografia in Venezuela, sono riusciti a entrare in contatto con due illustri mineralogisti russi: Sergey Krivovichev, prof. presso l'Università statale di San Pietroburgo e il prof. Igor Pekov presso l’Università statale Lomonosov di Mosca.

     

    Krivovichev e Pekov sono stati in grado di ottenere i campioni originali dei due minerali rari, rinvenuti decenni prima in una miniera di carbone profonda sotto il permafrost siberiano. Gli esperti russi sono stati anche in grado di determinare le strutture cristalline dei minerali. Questi risultati hanno quindi confermato i risultati iniziali condotti dai ricercatori della McGill sui campioni di sintesi ottenuti in laboratorio.

    Immagine 3 - Un frammento della struttura cristallina del minerale naturale zhemchuzhnikovite. Credit: Luzia Germann, gruppo di ricerca Dinnebier, MPI Stuttgart and Igor Huskić, gruppo di ricerca Friščić, McGill UniversityImmagine 3 - Un frammento della struttura cristallina del minerale naturale zhemchuzhnikovite. Credit: Luzia Germann, gruppo di ricerca Dinnebier, MPI Stuttgart and Igor Huskić, gruppo di ricerca Friščić, McGill University

     

    La stepanovite e la zhemchuzhnikovite hanno una struttura elaborata a forma di nido d’ape come quella delle MOF, caratterizzata a livello molecolare da grandi spazi vuoti. Tuttavia i due minerali non sono rappresentanti delle varietà più diffuse di MOF — quelle che sono in fase di sviluppo per essere utilizzate nei veicoli alimentati a idrogeno o per catturare l'anidride carbonica.

     

    Di conseguenza, Friščić e i suoi collaboratori hanno iniziato ad ampliare la loro ricerca per determinare se altri minerali più abbondanti possiedano strutture porose analoghe che potrebbero renderli adatti allo stoccaggio dell'idrogeno o alla somministrazione di farmaci.

     

    In ogni caso, la scoperta di strutture MOF nei due minerali rari è già un "cambio di paradigma" scrive Friščić. Se gli scienziati sono stati in grado di determinare queste strutture nel 1960 allora lo sviluppo di materiali MOF «potrebbe essere stato accelerato di 30 anni».

    Riferimento:

    "Minerals with metal-organic framework structures," Igor Huskić, Igor V. Pekov, Sergey V. Krivovichev, Tomislav Friščić. Sciences Advances, Aug. 5, 2016. DOI: 10.1126/sciadv.1600621



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