03/12/2025
Pubblicato su Nature Communications con il titolo “On-surface synthesis of tailored organic platforms for single metal atoms”, un lavoro che coinvolge -tra gli altri- l'Istituto di struttura della materia del Cnr: introduce un importante progresso nella progettazione di piattaforme molecolari ingegnerizzate, capaci di stabilizzare con precisione singoli atomi metallici all’interno di siti attivi regolabili e con bassa coordinazione. Combinando la sintesi su superficie (resa possibile dalla microscopia a scansione di sonda ad altissima risoluzione) con la chimica di coordinazione e la catalisi a singolo atomo, lo studio integra approcci sperimentali e teorici per rivelare come questi intorni atomici accuratamente definiti migliorino la reattività e stabiliscano principi di progettazione fondamentali per i catalizzatori di nuova generazione.
I catalizzatori svolgono un ruolo fondamentale nella società moderna, supportando processi che vanno dalla metallurgia alla produzione farmaceutica. Per ridurre l’impatto ambientale e massimizzare l’efficienza, la ricerca ha spinto i confini tra catalisi omogenea ed eterogenea verso la catalisi a singolo atomo. Tuttavia, lavorare con atomi isolati comporta enormi sfide: è difficile contrastare la loro tendenza ad aggregarsi in cluster, soprattutto a temperature superiori a quelle criogeniche, ed è complesso disporli con precisione in intorni chimici specifici.
I team internazionale di ricerca - che compreso l’Istituto di struttura della materia (Cnr-Ism), l’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), l'Empa (Svizzera) e l’Università di Roma Tor Vergata - ha sviluppato un approccio innovativo per superare questi limiti. Attraverso la sintesi su superficie (OSS), resa possibile da tecniche di microscopia a scansione di sonda ad altissima risoluzione, gli scienziati hanno fabbricato polimeri organici monodimensionali capaci di legare selettivamente atomi metallici in siti di coordinazione ben definiti. È la prima volta che si ottiene un’architettura basata su polimeri di questo tipo, utilizzando estensioni laterali periodiche progettate con cura per fornire siti attivi modulabili. La piattaforma rappresenta un importante avanzamento nella catalisi a singolo atomo, aprendo la strada a catalizzatori di nuova generazione più efficienti e sostenibili.
“Per ottenere la massima efficienza catalitica, dobbiamo assicurarci che ogni atomo del nostro catalizzatore sia accessibile ai reagenti – difficile nei materiali bulk o nei cluster, dove gli atomi interni sono nascosti. Ma è ciò che la natura sa fare estremamente bene: gli enzimi mostrano un’efficienza e una selettività straordinarie grazie a singoli atomi metallici o piccoli cluster inseriti in ambienti molecolari su misura,” spiega l’autore principale, Marco Di Giovannantonio, responsabile dell’ONSET Lab al CNR-ISM e Visiting Researcher all’OIST. “Il nostro metodo apre una nuova via verso catalizzatori quasi enzimatici, isolando atomi metallici in siti uniformi lungo catene polimeriche con una stabilità notevole, persino oltre la temperatura ambiente. Il design è anche adattabile e funziona con una varietà di metalli e leganti, creando nuove possibilità nel campo della catalisi.”
Studi teorici hanno rilevato che la struttura unica di queste piattaforme a singolo atomo consente un legame significativamente più forte con gas come CO, O2 e H2, rispetto ad altre strutture più comuni. Ciò dimostra il potenziale di tali piattaforme per approfondire la comprensione di reazioni catalitiche di grande rilevanza industriale che richiedono la stabilizzazione selettiva di intermedi, come la conversione della CO2 in prodotti di valore.
“Questo lavoro non solo introduce una nuova strategia per costruire catalizzatori a singolo atomo con centri di reazione precisi a livello atomico, ma getta anche le basi per la progettazione razionale di nanomateriali organometallici per molte future applicazioni,” afferma Akimitsu Narita, responsabile dell’Unità di Materiali Organici e Nanomateriali a base di Carbonio dell’OIST.
Il lavoro è stato finanziato da un PRIN 2022 (ATYPICAL), da OIST, da un progetto bilaterale tra CNR e JSPS e da due borse Short Term Mobility del CNR.
Per informazioni:
Ufficio Comunicazione
CNR - Istituto di struttura della materia
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