Un nuovo modo per studiare i carboni porosi: la ricerca UPO presentata al webinar EuChemS

Come descrivere in modo più preciso la struttura interna dei carboni porosi e comprenderne le proprietà di adsorbimento? È la domanda al centro della ricerca presentata dal professor Maurizio Cossi, ordinario di Chimica fisica presso il Dipartimento di Scienze e innovazione tecnologica dell’Università del Piemonte Orientale al webinar europeo EuChemS/DSSMC “Towards a new description of the inner space of amorphous porous carbons”. La sessione è stata presieduta dal professor Leonardo Marchese, direttore scientifico del Centro per il Risanamento e la Protezione Ambientale (RisPA), iniziativa di ricerca congiunta tra UPO e Syensqo.

I materiali nanoporosi sono utilizzati in numerose applicazioni, dalla purificazione dell’acqua alla separazione e all’accumulo dei gas, fino ai processi catalitici. Le loro prestazioni dipendono in larga misura da geometria e volume dei pori e dalla superficie accessibile. Nel caso dei carboni amorfi, caratterizzati da strutture irregolari, i modelli tradizionali possono tuttavia risultare troppo elementari per rappresentarne efficacemente la complessità.

La ricerca presentata da Cossi propone PoLA (Porosity Local Analysis), un approccio che permette di analizzare la porosità osservando, in ogni punto del materiale, quanto sono vicine tra loro le pareti che delimitano gli spazi interni, un fattore che influenza direttamente le capacità di legare o intrappolare molecole. È così possibile descrivere la struttura dei pori senza doverli ricondurre a forme geometriche regolari, ottenendo una rappresentazione più vicina alla reale complessità dei carboni amorfi.

Per mettere alla prova il nuovo approccio sono stati studiati 109 modelli di carboni attraverso simulazioni al computer. I risultati mostrano che la descrizione ottenuta con PoLA può aiutare a collegare la struttura dei materiali alla quantità di molecole che possono trattenere. In particolare, alcuni modelli di intelligenza artificiale hanno permesso di ottenere previsioni promettenti sulla capacità dei materiali di adsorbire (e immagazzinare) idrogeno. Per i modelli analizzati, inoltre, la stima della superficie accessibile ottenuta con PoLA è risultata più vicina ai valori di riferimento delle simulazioni rispetto al tradizionale metodo BET (Brunauer, Emmett e Teller, il modello standard più utilizzato per valutare l'area superficiale specifica di materiali solidi e polveri) a partire da misure di adsorbimento di azoto. Le prime verifiche su materiali reali sono molto promettenti.

L’approccio è stato illustrato anche nello studio di alcune zeoliti e strutture MOF, la cui scoperta è stata riconosciuta degna del premio Nobel per la chimica 2025. La ricerca si inserisce nelle attività del Centro RisPA, che mette in relazione modellistica molecolare, caratterizzazione dei materiali e sviluppo di adsorbenti per applicazioni ambientali, tra cui il trattamento delle acque. Un esempio di ricerca che unisce lo studio delle proprietà dei materiali e le esigenze legate alle loro possibili applicazioni.