Gli impulsi laser ultracorti producono biossido di carbonio reattivo

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E se l’anidride carbonica inerte presente nell’atmosfera potesse essere convertita in una materia prima utilizzabile? Le piante lo fanno durante la fotosintesi, trasformando l'anidride carbonica in ossigeno e zucchero quando esposte alla luce.

Ispirati da questo processo, si sono sviluppati i fisici-chimici dell'Università di Bonn in Germania un nuovo modo per generare una variante reattiva dell’anidride carbonica che potrebbe essere potenzialmente utilizzata come materiale di base nell’industria chimica.

Lo studio è pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie.

Il problema

L’anidride carbonica, un gas serra, è l’inquinante numero uno che porta al cambiamento climatico, di cui si tiene conto su 80 percento delle emissioni di gas serra degli Stati Uniti nel 2015. L’anidride carbonica viene emessa durante una serie di attività umane quotidiane, tra cui i trasporti, la produzione di elettricità e la combustione di combustibili fossili per scopi industriali.

Di conseguenza, uno degli obiettivi principali del movimento ambientalista è stato trovare modi per limitare le emissioni di anidride carbonica come mezzo per controllare il cambiamento climatico.

Riappropriarsi dell’anidride carbonica atmosferica per uso industriale consentirebbe di raggiungere due obiettivi contemporaneamente.

“In caso di successo, l’impatto di un simile approccio sarà immediatamente evidente: si potrà trarre vantaggio dallo sconcertante gas serra e, allo stesso tempo, ridurre la dipendenza globale dal petrolio greggio come materia prima chimica”, ha affermato Peter Vöhringer, professore presso l'Istituto di chimica fisica e teorica dell'Università di Bonn e autore corrispondente dello studio.

Nel perseguire questa visione, gli scienziati hanno esplorato vari complessi di metalli di transizione a cui il biossido di carbonio può legarsi. Tuttavia, l’anidride carbonica è notoriamente difficile da legare ad altre molecole.

Prima della ricerca di Vöhringer e del suo team, erano note solo tre modalità di legame del carbonio con un metallo di transizione.

Lo studio

Ma ora i ricercatori di Bonn hanno rivelato una quarta modalità utilizzando un complesso di ferro come metallo di transizione. Nel complesso del ferro, i costituenti dell'anidride carbonica sono legati più volte attorno a un atomo di ferro carico positivamente.

I ricercatori hanno quindi sparato impulsi laser ultraveloci di luce ultravioletta sul complesso del ferro. Questo processo rompe alcuni legami, permettendo all'anidride carbonica di legarsi al ferro attraverso uno dei suoi due atomi terminali di ossigeno.

Il complesso del ferro viene così trasformato in una nuova molecola, che trasporta l'anidride carbonica nella sua forma chimicamente ridotta.

“Ciò significa che l’anidride carbonica non è più la molecola elettroneutra di C02 che tutti conoscono (attraverso il noto gas serra), ma esiste piuttosto in una forma caricata negativamente che presenta un elettrone spaiato”, ha affermato Vöhringer. .

Questa molecola appena formata è nota come anione radicale di anidride carbonica. Con un solo elettrone nel suo guscio esterno, questo anione radicale è una molecola altamente reattiva. Questo elettrone spaiato conferisce all'anione radicale il potenziale per essere utilizzato come elemento costitutivo per vari processi chimici.

Questa nuova molecola è “una struttura molto intrigante, che promette reattività chimiche che devono ancora essere esplorate”, ha affermato Vöhringer.

I ricercatori sperano che la variante reattiva dell’anidride carbonica possa servire da elemento costitutivo per una gamma di prodotti chimici, tra cui il metanolo per il carburante, l’urea per le sintesi chimiche e l’acido salicilico per gli antidolorifici.

Gli scienziati hanno eseguito questa ricerca utilizzando uno spettrometro a infrarossi. Nella risoluzione temporale di milionesimi di miliardesimo di secondo, lo spettrometro cattura “istantanee” degli spettri vibrazionali delle molecole. Queste istantanee creano un “film molecolare”, dimostrando visivamente il processo degli impulsi laser ultracorti che rompono i legami nel complesso del ferro, consentendo la formazione del radicale anidride carbonica.

"La formazione del radicale dell'anidride carbonica all'interno del complesso del ferro modifica i legami tra gli atomi, riducendo la frequenza della vibrazione caratteristica dell'anidride carbonica", ha affermato in una nota Steffen Straub, studente laureato dell'Università di Bonn e autore principale.

Misurando la variazione della frequenza delle vibrazioni dell'anidride carbonica, gli scienziati sono stati quindi in grado di analizzare la formazione del radicale anidride carbonica.

I ricercatori hanno poi testato i risultati del loro esperimento confrontandoli con una simulazione al computer degli spettri vibrazionali delle molecole. Confrontando le loro misurazioni originali con i calcoli del computer, sono stati in grado di determinare in modo definitivo che gli impulsi laser producono effettivamente il radicale anidride carbonica.

Cosa c'è di nuovo?

I ricercatori ritengono che le loro scoperte potrebbero rinvigorire la ricerca sull'attivazione del biossido di carbonio da parte dei complessi dei metalli di transizione.

"I nostri risultati hanno il potenziale per cambiare radicalmente le idee su come estrarre l'anidride carbonica, gas serra, dall'atmosfera e usarla per produrre importanti prodotti chimici", ha affermato Vöhringer in una nota.

Andando avanti, intendono approfondire la ricerca sulle reattività chimiche della nuova modalità di legame per capire come potrebbe essere applicata all'uso industriale.

Ci sono ancora ostacoli da superare prima che la loro scoperta possa essere applicata nel mondo reale. L'uso degli impulsi laser è troppo inefficiente per l'uso industriale, quindi affinché il processo di conversione possa essere adottato per tali scopi, dovrebbe essere sviluppato un catalizzatore che svolga il ruolo degli impulsi laser.

Tuttavia, "i nostri risultati forniscono indizi su come dovrebbe essere progettato un tale catalizzatore", ha affermato Vöhringer in una nota.

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