Zeoliti e materiali porosi


    In un precedente articolo pubblicato in questa rubrica, sono state esposte le basi teoriche, gli esempi e le applicazioni della chimica supramolecolare.

    L’assemblamento di frammenti molecolari per generare "macchine" molecolari e la ricerca di intesi di strutture ed addotti molecolari con funzioni ben precise, vedono avanzare lo stato dell’arte di questa nuova frontiera della chimica.

    Lo sviluppo di nuovi modelli molecolari consente il miglioramento e l’evoluzione di dispositivi e tecnologie utilizzate al giorno d'oggi, anche dal punto di vista ambientale.

    È immediato pensare a complessi metallici che, attraverso interazioni con legami deboli (Van Der Waals, ponte idrogeno, ecc.) coordinano altri frammenti molecolari a formare un network con precise disposizioni e conformazioni tridimensionali.

    Interessanti sono quelle strutture che presentano pori e cavità al loro interno.

    Le superfici con questa caratteristiche sono molto ricercate e studiate perché adempiono a funzioni e ruoli particolari nel campo dei catalizzatori, sensori, riconoscimenti molecolari e nanoreattori.

    Le cavità sono importanti perché, in funzione della loro dimensioni e forma, è possibile il passaggio, attraverso di esse, di molecole di grandezza adeguata, come una specie di membrana permeabile solo alle molecole che possono transitare all’interno del poro (shape selectivity).

    Questa selettività comporta, ad esempio, una specificità del catalizzatore per una data molecola o reazione chimica (si veda ad esempio, la selettività degli enzimi per le molecole biologiche ed il loro meccanismo di riconoscimento molecolare, chiave–serratura).

    [inline: 1=Immagine - 1 - Network costituito da metalloporfirine in una struttura analoga ad una zeolite] Immagine - 1 - Network costituito da metalloporfirine in una struttura analoga ad una zeolite.

    L’assemblamento di unità macromolecolari in un contesto supramolecolare è, tuttavia, ancora raro.

    In un articolo pubblicato su "Nature Materials" dell’ottobre 2002, è riportato un interessante studio su un sistema costruito con frammenti di metalloporfirine a formare un network tridimensionale con caratteristiche di microporosità simili a quelli riportate per le zeoliti.

    In questo articolo si dimostra la riproducibilità del meccanismo di assorbimento e desorbimento, con elevato grado di selettività, in base alla dimensione, forma e caratteristiche chimiche (gruppi funzionali) di alcune molecole su questo supporto solido, analogo a quanto accade per le zeoliti.

    [inline: 2=Immagine - 2 - Struttura ricavate da raggi X di Zeolite A (sx) e X e Y (dx).]
    Immagine - 2 - Struttura ricavate da raggi X di Zeolite A (sx) e X e Y (dx).

    Le zeoliti sono alluminosilicati con varie strutture cristalline, con unità base di natura tetraedrica (AlO4 e SiO4 sono le molecole base), che contengono cavità occupate da ioni e/o molecole di acqua, che permettono lo scambio ionico e molecolare (le cavità sono comprese tra i 3 ed i 10 Angstrom, 1 A=10-10 m).

    La loro elevata superficie interna permette una grande capacità di scambio(meccanismo di adsorbimento e de–adsorbimento a riproducibilità elevata).

    [inline: 3=Immagine - 3 - Esempio di struttura della zeolite ERS-7 che ne evidenzia il sistema poroso]
    Immagine - 3 - Esempio di struttura della zeolite ERS-7 che ne evidenzia il sistema poroso.

    Le caratteristiche chimiche e chimico–fisiche che garantiscono la specificità verso alcune molecole, la resistenza al calore, tra le altre cose le rendono materiali molto usati in industria (agenti essiccanti, agenti depuranti, ecc.).

    Modi di produzione delle zeoliti

    Industrialmente, le zeoliti sono prodotte principalmente in tre modi:

    • da idrogel;
    • da una argilla
    • da composti naturali

    Esistono differenti classi di zeoliti, in funzione del diverso rapporto Al/Si e della loro classe cristallografica.

    [inline: 4=Immagine - 4 - Foto di una mordente, una delle numerosi classi di zeolite]
    Immagine - 4 - Foto di una mordente, una delle numerosi classi di zeolite.

    Conclusioni

    Dagli esempi riportati in bibliografia circa le applicazioni dei materiali nanostrutturati e porosi, è affascinante apprendere come la scienza, in particolare la chimica moderna, rivolga gli sforzi della sua ricerca verso soluzioni in grado di imitare le molecole e gli aggregati presenti in natura, in modo da rendere più pulita, efficiente e funzionale la tecnologia dell’uomo.

    Sitografia

    In particolare, per approfondimenti sulle zeoliti, la loro classificazioni, caratterizzazione ed applicazioni, è possibile consultare:

    Liceo Scientifico Tron - Zeoliti www.tron.vi.it/minerali/zeoliti.html

    IZA - International Zeolite Association www.iza-online.org

    IZA Structure Commission www.iza-strucure.org

    Per quanto riguarda le porfirine, informazioni sulla loro chimica e presenza in molecole naturali di interesse, si consiglia:

    The Porphyrin Page - Washburn University www.washburn.edu

    Bibliografia

    Per conoscere ed analizzare esempi e concetti della chimica supramolecolare, si rimanda al relativo articolo presente in questa rubrica.

    L’articolo di "Nature Materials" a cui si fa riferimento, sull’assemblaggio di metalloporfirine in strutture simili alle zeoliti, è il seguente:

    "A functional zeolite analogue assembled from metalloporphyrins", Kosal, Chou, Wilson, Suslick, Nature Materials, Vol.1, October 2002;

    A proposito di materiali nanostrutturati e nanoporosi, in generale, si consiglia:

    "Nanoporous metals with controlled multimodal pore size distribution", Ding, Erlebacher, The Journal Of The American Chemical Society, 2003;

    "Nanoparticles actuators", Raguse, Müller, Wieczrek, Advanced Materials, 15, 922-926, 2003;

    R. Millini, G. Perego, L. Carluccio, G. Bellussi, D.E. Cox, B.J. Campbell and A.K. Cheetham Proc. 12 th Int. Zeolite Conf. (Baltimore, MD, 07-12/07/1998), p 541;

    F. Frigerio, L. Carluccio, W.O. Parker, Jr., R. Millini, J. Mol. Catal. A: Chemical 166(1), (2001) 167;

    "Desulfurization of transportation fuels with zeolites under ambient condition", Yang, Hernandez-Maldonado, Yang, Science, 301 (5629),79 - 81, 2003;

    "Assembly of porphyrin building blocks into network structures with large channels", Abraams, Hoskins, Michall, Robson, Nature, 369,727-729, 1994.



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