04/04/2013
L' impiego di metodi di fisica delle alte pressioni a miscele di etilene e zeoliti ha permesso a ricercatori del CNR di realizzare materiali nano-compositi che preludono alla sintesi di solidi con espansione termica nulla. La scoperta è descritta sulla rivista "Nature Communications"
I solidi meso/micro-porosi, come le zeoliti, sono materiali complessi da lungo tempo impiegati in diversi processi di chimica industriale come la separazione di una miscela di gas nei suoi componenti chimici, lo stoccaggio dei gas, e la catalisi. Questi materiali possono essere considerati come dei veri e propri laboratori chimici nei quali le reazioni vengono indotte e controllate su scale spaziali molto piccole, cioè fino a pochi decimi di miliardesimo di metro. Un gruppo di ricercatori dell'Istituto di Fisica Applicata N. Carrara e dell'Istituto per Processi Chimico Fisici del Cnr (Ifac e Ipcf, rispettivamente), in collaborazione con colleghi del Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non Lineari (LENS) e del CNRS di Montpellier, ha recentemente utilizzato le zeoliti in una veste totalmente nuova allo scopo di sintetizzare materiali nano-compositi di potenziale interesse tecnologico. Lo studio è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica internazionale "Nature Communications" del gruppo "Nature". La squadra di ricercatori ha ottenuto un materiale composito di polietilene e silicalite, una zeolite sintetica di silice (SiO2) pura, polimerizzando l'etilene all'interno dei micro-canali della zeolite mediante tecniche di fisica della alte pressioni. Il gas di etilene è stato infatti iniettato e compresso all'interno delle piccolissime cavità della silicalite, a pressioni tipiche di 10000-15000 atmosfere, utilizzando una cella ad incudini di diamante. Le molecole del gas confinato in tal modo, trovandosi a distanze reciproche assai ravvicinate a causa dell'elevata densità, reagiscono chimicamente l'una con l'altra in modo da formare singole catene polimeriche (polietilene) perfettamente compenetrate con la struttura ospite della silicalite, come evidenziato da misure di spettroscopia ottica e di diffrazione di raggi X. La reazione di polimerizzazione, oltre ad essere favorita dalle pressioni elevate, è innescata da irradiamento con luce ultravioletta di lunghezze d'onda pari a circa 350 nm. Il nuovo materiale nano-composito è stato battezzato PESIL, dall'unione degli acronimi PE e SIL, indicante rispettivamente il polietilene e la silicalite. La formazione del PESIL produce una considerevole riduzione della compressibilità, un aumento della densità ed un'inversione di segno del coefficiente di espansione termica di volume, da negativo a positivo, rispetto alla silicalite di partenza. Quest'ultimo aspetto è particolarmente interessante. Il volume specifico della silicalite infatti, contrariamente a quello della maggior parte dei materiali incluso il polietilene, diminuisce all'aumentare della temperatura; l'inserzione di catene di polietilene dei micro-canali della silicalite, ottenuta con le tecniche di alte pressioni, conduce ad un materiale nano-composito con un volume specifico complessivo che viceversa, in modo "normale", aumenta all'aumentare della temperatura. La particolarità a questo punto sta nel fatto che le proprietà meccaniche e termiche del PESIL possono essere variate in modo ben mirato variando la quantità di etilene polimerizzata nei canali della silicalite. Ad esempio, dosando opportunamente tale quantità non sarebbe difficile ottenere un materiale con coefficiente di espansione termica nullo, di estremo interesse per applicazioni di meccanica di precisione lavoranti in condizioni estreme come, fra le altre, la costruzione di supporti per componenti ottiche in dispositivi aerospaziali. E si potrebbe pensare ad applicazioni anche più sofisticate. Ad esempio la sintesi ad alte pressioni di materiali simili al PESIL, ma basati sui polimeri conduttori anziché sul polietilene, potrebbe aprire la strada ad una classe di materiali micro/nano-strutturati completamente nuova, idonea per applicazioni nell'elettronica avanzata e nella fotonica.
La scheda:
Chi: Istituto di Fisica Applicata N. Carrara (Ifac-Cnr), Istituto per i Processi Chimico Fisici (Ipcf-Cnr), Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non Lineari (LENS), e CNRS di Montpellier.
Che cosa: Sintesi ad alte pressioni di un materiale nano-composito di polietilene e silicalite: Mario Santoro, Federico A. Gorelli, Roberto Bini, Julien Haines, ed Arie van der Lee, High-pressure synthesis of a polyethylene/zeolite nano-composite material, Nature Commun. 4:1557 doi: 10.1038/ncomms2564 (2013)
Riferimenti: Per informazioni: Dr. Mario Santoro, Ifac-Cnr, tel.: 055-4572490 (2530) - email: santoro@lens.unifi.it
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