Le ricerche al Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale dell'università Sapienza di Roma


Nei materiali nanoporosi

il segreto per una nuova

energia e la tutela ambientale


13.02.19 - Aperta la strada per sfruttare a fondo le caratteristiche dei liquidi in nanopori. L'antefatto. Grazie alla presenza di numerosi e minuscoli pori (della dimensione di pochi nanometri), una particolare categoria di dispositivi, i cosiddetti sistemi HLS (Heterogenous Lyophobic Systems o sistemi liofobici eterogenei), è dotata di una straordinaria capacità di immagazzinamento di energia. Realizzati con materiali nanoporosi, si comportano come una batteria “a liquido”, “caricandosi” all’aumentare della pressione dell’acqua che permea i pori e “scaricandosi”, rendendo fruibile energia meccanica, quando la pressione diminuisce. Tuttavia, l’interruttore che permette il funzionamento di questo meccanismo finora era poco conosciuto e soprattutto molto difficile da controllare.

Il fatto. Un nuovo studio condotto al Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale dell'università Sapienza di Roma ha fatto luce su questo aspetto, investigando il comportamento di vari materiali porosi tramite esperimenti di intrusione ed estrusione di acqua ad alte pressioni. I risultati dello studio, pubblicati sulla rivista ACS Nano, suggeriscono una innovativa strategia per controllare il movimento dei liquidi all’interno dei materiali indagati.

Il meccanismo microscopico all’origine dell’espulsione dell’acqua - spiega Alberto Giacomello del team di ricerca - è legato all’esistenza di bolle di dimensioni nanometriche all’interno delle interconnessioni tra pori, che riducono il contatto tra l’acqua e le pareti, dando vita a veri e propri pori superidrofobi”.

A parità di tutte le altre caratteristiche fisiche e chimiche, infatti, la forma dei pori idrofobi di dimensioni simili (circa 5 nm) sembra esser un parametro “discriminante” per il comportamento del materiale: l’assenza di un’interconnessione tra i pori impedisce l’espulsione di acqua assorbita e al contrario, se interconnessi, i pori sono in grado di “asciugarsi” e far uscire l’acqua trattenuta, anche a temperatura ambiente e pressioni estremamente elevate, equivalenti a quelle che si possono registrare a profondità sottomarine di centinaia di metri.

Con modelli macroscopici e simulazioni atomistiche, i ricercatori hanno dimostrato che il fenomeno si realizza quando sono presenti cavità idrofobe di dimensioni pari o inferiori al nanometro sulle pareti del nanoporo. Inoltre hanno ripetuto l’esperimento con il mercurio e altri materiali porosi, e ottenendo risultati analoghi, hanno confermato la totale generalità di questo meccanismo.

Il nostro studio offre validi strumenti teorici e computazionali a scienziati e ingegneri per progettare materiali nanostrutturati che sfruttino appieno le caratteristiche dei liquidi in nanopori - sostiene Carlo Massimo Casciola, a capo del progetto di ricerca - quali la capacità di bagnare o asciugare reversibilmente una superficie o di aumentare la loro mobilità a parete. In questo campo - conclude - si aprono numerose possibilità di nuove applicazioni che comprendono accumulatori di energia meccanica per fonti rinnovabili e recupero di energia, assorbimento di vibrazioni e urti, tecniche di purificazione dell’acqua e superfici capaci di rigenerare lo stato superidrofobo”. (red.)


Riferimenti
Pore Morphology Determines Spontaneous Liquid Extrusion from Nanopores – Matteo Amabili, Yaroslav Grosu, Alberto Giacomello, Simone Meloni, Abdelali Zaki, Francisco Bonilla, Abdessamad Faik, and Carlo Massimo Casciola, ACS Nano 2019 DOI: 10.1021/acsnano.8b07818

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