10/10/2022
Combinando tecniche sperimentali e modellazione molecolare computazionale, un gruppo di ricercatori della Princeton University, Aramco Research Center-Houston, Istituto di chimica dei composti organometallici (Cnr-Iccom) ed Istituto di nanoscienze (Cnr-Nano), Scuola Normale Superiore, Università di Trento e Queen Mary University of London, guidati da Craig B. Arnold, ha dimostrato che le albumine dell’uovo possono essere trasformate in un aerogel di carbonio nanoporoso ultraleggero utilizzabile per la produzione di materiali efficienti nella purificazione dell'acqua.
Gli scienziati sono riusciti a produrre un nuovo tipo di struttura costituita da fogli di carbonio grafitico bidimensionale legati con continuità a nanofibre di carbonio. La struttura presenta diversi livelli di porosità organizzati gerarchicamente, con una area superficiale elevata e densità molto bassa.
Attualmente le tecniche per produrre strutture di carbonio con pori di forma e dimensioni regolabili usano degli stampi (detti template), una sorta di 'impalcature' che guidano la formazione della struttura. Questi stampi devono essere pero’ successivamente rimossi con procedure complicate. Le proteine, invece, offrono un'alternativa interessante per progettare e produrre materiali porosi complessi grazie alla loro struttura intrinsecamente gerarchica e auto-organizzata.
"Quando le proteine dell'albume vengono pirolizzate a 900 gradi, le strutture elicoidali ed a forma di foglietto si trasformano nei componenti grafenici e fibrosi dell’aerogel. I pori di dimensioni maggiori si formano a causa dei gas rilasciati durante il processo, mentre quelli su scala nanometrica nascono da vari difetti del reticolo dovuti al desorbimento dei gruppi funzionali proteici", spiegano i ricercatori.
Il contributo congiunto di Susanna Monti di Cnr-Iccom e Valentina Tozzini di Cnr-Nano ha chiarito il meccanismo molecolare di formazione e la trasformazione delle strutture proteiche nelle architetture finali. Le simulazioni di dinamica molecolare reattiva, combinate con gli esperimenti, hanno rivelato le diverse fasi dei processi di trasformazione a livello atomico e mostrato come questi aerogel siano in grado di intrappolare efficacemente gli ioni grazie alla presenza di difetti derivanti dalla loro origine biologica.
La sostenibilità e biocompatibilità intrinseca di questi materiali li rende particolarmente interessanti per applicazioni ecosostenibili. "Gli aerogel messi a punto sono in grado di rimuovere oltre il 98% delle impurità ioniche e il 99,99% della contaminazione da nano/microplastica dall'acqua di mare", spiegano i ricercatori. Il basso costo, la pronta disponibilità, la stabilità meccanica e la robustezza di questi aerogel sono fattori potenzialmente adatti anche ad altre tipologie d’impiego quali: conversione ed accumulo d'energia, tecnologie di separazione di gas, recupero ambientale, sistemi catalitici.
Sehmus Ozden, Susanna Monti, Valentina Tozzini, Nikita S. Dutta, Stefania Gili, Nick Caggiano, A. James Link, Nicola M. Pugno, John Higgins, Rodney D. Priestley, Craig B. Arnold, Egg protein derived ultralightweight hybrid monolithic aerogel for water purification, Materials Today, 2022, ISSN 1369-7021, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.08.001
Per informazioni:
Maddalena Scandola
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