Nuovi stimoli alimentati dalla luce potrebbero aiutare la mano

Cambridge, Massachusetts – Le reazioni chimiche guidate dalla luce forniscono un potente strumento per i chimici che stanno progettando nuovi modi per produrre farmaci e altri composti utili. Per sfruttare questa energia luminosa sono necessari fotocatalizzatori, che possono assorbire la luce e trasferire energia in una reazione chimica.

I chimici del Massachusetts Institute of Technology hanno progettato un nuovo tipo di catalizzatore di fotoossidazione che può facilitare l’incorporazione di reazioni guidate dalla luce nei processi di produzione. A differenza della maggior parte dei catalizzatori di fotoossidazione esistenti, la nuova classe di materiali è insolubile, quindi può essere utilizzata più e più volte. Questi catalizzatori possono essere utilizzati per rivestire i tubi e per eseguire spostamenti chimici sui reagenti mentre scorrono attraverso il tubo.

“La capacità di riciclare il catalizzatore è una delle maggiori sfide da superare in termini di utilizzo della fotocatalisi nella produzione. Ci auguriamo che, essendo in grado di eseguire la chimica del flusso con un catalizzatore immobile, possiamo fornire un nuovo modo di fare la fotocatalisi su scala maggiore”.

I nuovi catalizzatori, che possono essere regolati per eseguire molti diversi tipi di reazioni, possono anche essere incorporati in altri materiali, inclusi tessuti o molecole.

Timothy Swagger, professore di chimica alla John MacArthur University del MIT, è il primo autore del documento di ricerca, che appare oggi in Comunicazioni sulla natura. Sheng Guo, uno scienziato ricercatore del MIT, e Shao-Xiong Lennon Luo, uno studente laureato al MIT, sono anche gli autori della ricerca.

Materiali ibridi

I catalizzatori fotoredox funzionano assorbendo i fotoni e quindi utilizzando quell’energia luminosa per alimentare una reazione chimica, in modo simile al modo in cui la clorofilla nelle cellule vegetali assorbe l’energia dal sole e la usa per costruire molecole di zucchero.

I chimici hanno sviluppato due classi principali di fotocatalizzatori, noti come catalizzatori omogenei ed eterogenei. I catalizzatori omogenei di solito sono costituiti da coloranti organici o composti metallici che assorbono la luce. Questi catalizzatori sono facili da regolare per eseguire una reazione specifica, ma lo svantaggio è che si dissolvono nella soluzione in cui si verifica la reazione. Ciò significa che non possono essere facilmente rimossi e riutilizzati.

D’altra parte, i catalizzatori eterogenei sono minerali solidi o materiali cristallini che formano fogli o strutture tridimensionali. Queste sostanze non si dissolvono, quindi possono essere utilizzate più di una volta. Tuttavia, la messa a punto di questi catalizzatori è più difficile per ottenere la reazione desiderata.

Per combinare i vantaggi di questi due tipi di catalizzatori, i ricercatori hanno deciso di incorporare i coloranti che formano catalizzatori omogenei in un polimero solido. Per questa applicazione, i ricercatori hanno adattato un polimero simile alla plastica con piccoli pori che avevano precedentemente sviluppato per eseguire processi di separazione dei gas. In questo studio, i ricercatori mostrano che possono incorporare una dozzina di diversi catalizzatori omodimerici nel loro nuovo materiale ibrido, ma pensano che possa fare molto di più.

“Questi catalizzatori ibridi hanno il potenziale di riciclaggio e la robustezza di catalizzatori eterogenei, ma sono anche suscettibili di messa a punto di catalizzatori omogenei”, afferma Liu. “Puoi incorporare il colorante senza perdere la sua attività chimica, quindi puoi scegliere tra decine di migliaia di reazioni fototossiche già note e ottenere l’equivalente insolubile del catalizzatore di cui hai bisogno”.

I ricercatori hanno scoperto che incorporare catalizzatori nei polimeri li ha anche aiutati a diventare più efficienti. Uno dei motivi è che le molecole che reagiscono possono rimanere nei pori del polimero, per essere pronte per la reazione. Inoltre, l’energia luminosa può viaggiare facilmente lungo il polimero per trovare i reagenti in attesa.

“I nuovi polimeri legano efficacemente le molecole dalla soluzione e le concentrano per la reazione”, afferma Swagger. “Inoltre, gli stati eccitati possono viaggiare rapidamente attraverso il polimero. La mobilità combinata dello stato eccitato e la partizione dei reagenti nel polimero porta a reazioni più rapide ed efficienti rispetto a quelle possibili nei processi in soluzione pura”.

maggiore efficienza

I ricercatori hanno anche dimostrato di poter regolare le proprietà fisiche della spina dorsale del polimero, inclusi lo spessore e la porosità, in base all’applicazione per la quale desiderano utilizzare il catalizzatore.

Ad esempio, hanno dimostrato di poter realizzare polimeri fluorurati che si attaccano ai tubi fluorurati, che vengono spesso utilizzati per la produzione a flusso continuo. Durante questo tipo di produzione, le sostanze chimiche che reagiscono fluiscono attraverso una serie di tubi mentre vengono aggiunti nuovi ingredienti o vengono eseguite altre fasi come la purificazione o la separazione.

Attualmente, è difficile incorporare reazioni di fotoossidazione nei processi a flusso continuo perché i catalizzatori vengono utilizzati rapidamente, quindi devono essere aggiunti costantemente alla soluzione. L’incorporazione di nuovi catalizzatori progettati dal MIT nei tubi utilizzati per questo tipo di fabbricazione può consentire il verificarsi di reazioni fotoniche durante il flusso continuo. Il tubo è trasparente, consentendo alla luce del LED di raggiungere e attivare gli stimoli.

“L’idea è di fare in modo che il catalizzatore ricopra un tubo, così puoi far fluire la tua reazione attraverso il tubo mentre il catalizzatore rimane in posizione. In questo modo, il catalizzatore non finirà mai nel prodotto e avrai anche un’efficienza molto più elevata, ” dice Liu.

I catalizzatori possono essere utilizzati anche per incapsulare sfere magnetiche, che ne facilitano il prelievo dalla soluzione una volta terminata la reazione, o per incapsulare flaconi di reazione o tessuti. I ricercatori stanno ora lavorando per incorporare una varietà di catalizzatori nei loro polimeri e per progettare i polimeri per ottimizzarli per diverse possibili applicazioni.

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La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation e dalla Sensor Initiative presso la King Abdullah University of Science and Technology.