L’attività di ricerca riguarda la generazione di strutture contenenti spazi confinati mono-, bi- e tri-dimensionali con geometrie uniformi ed ingegnerizzate per creare nuovi ambienti per la cattura di entità chimiche. Lo studio si focalizza su nuovi materiali dotati di architetture nanometriche in grado di immagazzinare gas importanti quali metano e idrogeno, considerati combustibili puliti. Inoltre, l’anidride carbonica e altri contaminanti sono rimossi dall’azoto e idrogeno mediante il sequestro selettivo nei pori. La costruzione di strutture stabili e robuste organiche o ibride costituite da legami covalenti con motivi tridimensionali periodici permette di aumentare la separazione, cattura e immagazzinamento di piccole molecole gassose, specialmente idrogeno molecolare. Questi frameworks possono organizzare in modo ordinato siti e recettori in griglie tali da interagire favorevolmente e specificamente con le molecole gassose Le proprietà di adsorbimento dei nuovi materiali sono superiori in molti casi a quelli esistenti e permettono di produrre nuovi brevetti per applicazioni nei settori dell’immagazzinamento e purificazione di gas. I metodi di caratterizzazione delle strutture porose e dei gas / confinati sono basati principalmente sulla diffrazione dei raggi-X, ed esperimenti avanzati usando la luce di sincrotrone e sorgenti di neutroni presso le Istituzioni Europee come ESRF (Grenoble) e Elettra (Trieste). In particolare, gli esperimenti XRD con luce di sincrotrone permettono l’osservazione in situ dell’organizzazione dei gas e di misurare le cinetiche di adsorbimento. La dinamica dei gas e vapori allo stato confinato e l’identificazione delle interazioni deboli viene studiata in dettaglio mediante la spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare allo stato solido.

Un tema fortemente sfidante riguarda la dinamica di solidi nanoporosi. L’attività di ricerca si incentra sull’inserimento di rotori molecolari nelle unità costituenti dei materiali porosi, permettendo il controllo del moto rotatorio mediante stimoli chimici (guest) o fisici (irraggiamento). La combinazione della porosità con la dinamica dei rotori ultra-veloci viene realizzata in cristalli molecolari, framework organici covalenti e MOFs. L’applicazione di tecniche complementari sensibili ai regimi di moto da 104 a 1011 Hz permette di studiare la dinamica dei moti allo stato solido. Un fattore importante consiste nella possibilità di controllare e modulare la dinamica dei rotori mediante adsorbimento/desorbimento di molecole ospiti, che inducono un cambiamento nella dinamica rotatoria e producono cambiamenti nelle proprietà fisiche del materiale.

Nuovi rotori molecolari fluorurati che contengono dipoli possono essere inseriti nelle architetture porose, realizzando griglie ordinate di rotori molecolari dipolari e veloci. La rapida riorientazione dei rotori nei solidi è un tema sfidante perché permette la costruzione di sistemi ferroelettrici, che possono essere rivelati mediante misure dielettriche. La combinazione della struttura porosa con rotori dipolari puo’ essere sfruttata anche per il rilascio stimolato di molecole ospiti nelle cavità.

Il gruppo di ricerca persegue anche l’obiettivo di sintetizzare cristalli molecolari flessibili contenenti tetrameri azobenzenici che formano cristalli porosi quando le unità azobenzeniche sono in configurazione trans. L’efficiente foto-isomerizzazione da trans a cis converte i cristalli in una fase non porosa. La cristallinità e porosità possono essere recuperate mediante isomerizzazione cis/trans promossa dall’irraggiamento con luce visibile o riscaldamento. La fotoisomerizzazione permette di modificare le proprietà ottiche del materiale reversibilmente (switch on/off) nonché la cattura di CO2 dalla fase gas.

Prof.ssa Angiolina Comotti
Dott. Jacopo Perego

Laboratorio Calorimetria – Edificio U5, Piano Terra, locale T066