"Un cucchiaino di MOF immagazzina litri e litri di CO₂"

Signor Schmidt, che cos'è esattamente un "MOF"?

Thomas J. Schmidt: il termine MOF è l'acronimo inglese di "metal-organic framework", tradotto in lingua italiana come reticolo metallorganico. In parole povere, un MOF è una sorta di "spugna molecolare", minuscola ma altamente efficace, con proprietà del tutto simili a quelle di una comune spugna da cucina: questa assorbe i liquidi nei pori presenti al suo interno e può rilasciarli di nuovo. Un MOF fa la stessa cosa, ma con singole molecole.

Che aspetto ha una spugna molecolare?

A prima vista piuttosto anonimo. I MOF sono per lo più delle polveri cristalline, come il sale da cucina. Ma il loro nome, reticoli metallorganici, rivela il loro segreto: si tratta di strutture composte da un componente metallico e da uno organico. Gli ioni metallici formano dei nodi, mentre delle molecole organiche complesse, i cosiddetti "linker", ovvero leganti organici, collegano i nodi metallici tra loro. Il risultato è un reticolo cristallino ibrido, tridimensionale.

Quindi sono simili ai cristalli che si trovano anche in natura?

Con una differenza fondamentale: i MOF sono strutture artificiali, spesso progettate al computer e coltivate in laboratorio. Anche da noi, all'Istituto Paul Scherrer PSI. Il punto chiave consiste nel fatto che, selezionando in modo accorto i nodi e i linker, siamo in grado di creare cristalli con proprietà del tutto particolari. Infatti, a seconda di quali ioni metallici vengono combinati con quali molecole organiche, risultano proprietà diverse, come ad esempio pori di varie dimensioni e forme.

Quindi, non è più necessario cercare nella natura i materiali idonei, ma li assembliamo direttamente noi stessi, a partire da elementi costitutivi appropriati?

Questa è l'idea di base, tuttavia, nella pratica, non è proprio così semplice. Ad esempio, dobbiamo trovare gli ioni metallici e i linker corretti, affinché il reticolo sia stabile e non si disgreghi in presenza di alte temperature o di umidità. E, cosa molto importante, affinché il MOF si comporti poi come desideriamo, dobbiamo selezionare e realizzare il linker in modo ragionato. Questo lavoro preliminare, che svolgiamo presso il nostro Centro per le Scienze Energetiche e Ambientali dell'Istituto Paul Scherrer PSI, è non di rado più impegnativo della sintesi vera e propria dei MOF, per la quale esistono ormai processi consolidati.

Per quali scopi state portando avanti la ricerca sui MOF?

Marco Ranocchiari, da inizio dell'anno direttore del nuovo Laboratorio per le Tecnologie energetiche e l'Innovazione presso il nostro centro, ha introdotto la ricerca sui MOF all'Istituto Paul Scherrer PSI più di 10 anni fa. Da allora, la ricerca su questi materiali è stata condotta in molti laboratori diversi. Tra le altre cose, siamo particolarmente interessati ai MOF con i quali è possibile catturare i gas a effetto serra come la CO₂ o che contribuiscono alla produzione di combustibili alternativi.

Catturare la CO₂ per poi “smaltirla” sottoterra come si fa con i rifiuti speciali?

In effetti stiamo riflettendo su questa possibilità. A causa della loro struttura altamente porosa i MOF sono una soluzione ottimale per questa “cattura e stoccaggio della CO₂”: sebbene ogni singolo poro, a seconda della molecola del linker utilizzata, misuri solo pochi milionesimi di millimetro, tuttavia un solo grammo contiene così tanti pori che la loro superficie estesa può coprire diversi campi da calcio. Inoltre, la CO₂ e il metano sono molecole piuttosto piccole. Quindi un cucchiaino di materiale MOF ne può immagazzinare facilmente parecchi litri.

Ma noi vogliamo fare un ulteriore passo in avanti: vogliamo riutilizzare la CO₂. Stiamo sviluppando MOF che non solo assorbono CO₂, ma sono anche in grado di rilasciarla con facilità. Queste attività vengono svolte all'interno dello Swiss Center of Excellence for NetZero Emissions (Centro svizzero di eccellenza sulle emissioni nette zero), SCENE.

Che cos'è SCENE?

SCENE è una delle sei iniziative congiunte del Consiglio dei politecnici federali sul tema "Energia, clima e sostenibilità ecologica".Più di 100 ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI, dell'Empa (Laboratorio federale di prova dei materiali e di ricerca), del WSL (Istituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio), dell'Eawag (Istituto federale per l'approvvigionamento, la depurazione e la protezione delle acque) e dei due politecnici federali di Zurigo e Losanna lavorano qui per evitare o eliminare le emissioni di gas a effetto serra e/o per riutilizzarle. All'Istituto Paul Scherrer PSI è affidata la direzione del SCENE e io ricopro il ruolo di co-direttore. La nostra ricerca nel Centro per le Scienze Energetiche e Ambientali, relativa alla cattura della CO₂ utilizzando i MOF è finanziata dal SCENE.

Ha affermato che uno degli obiettivi del SCENE consiste nel riciclaggio della CO₂. Perché?

Non si deve dimenticare che la CO₂ è una fonte di carbonio per l'industria chimica. Nello sviluppo di farmaci, materie plastiche o prodotti chimici di base, il carbonio è necessario dappertutto, come materia prima, E attualmente proviene in larga misura dal gas naturale. Se invece si prelevasse la CO₂ dall'aria e la si riutilizzasse, non sarebbe più necessario il gas naturale. Sarebbe davvero un grande passo avanti lungo un percorso che porti ad un'industria rispettosa del clima e all'obiettivo "Emissioni nette zero", che la Svizzera si è prefissata di raggiungere entro il 2050.

Ha anche parlato di carburanti alternativi.

È chiaro che, se prendiamo sul serio gli obiettivi climatici, in futuro non potremo più far funzionare le nostre auto, navi e aerei utilizzando combustibili fossili. L'idrogeno svolgerà un ruolo importante: come carburante, ma anche nello stoccaggio di energie rinnovabili o nella produzione di ammoniaca e altre importanti sostanze chimiche. Per ottenere l'idrogeno, l'acqua viene scissa nei suoi componenti attraverso l'elettrolisi. A tal fine, il processo prevede l'applicazione di una tensione elettrica tra due elettrodi in un bagno d'acqua: sull'anodo, caricato positivamente, si forma ossigeno, sul catodo, caricato negativamente, si forma idrogeno.

In che punto entrano in gioco i MOF?

I MOF possono fungere da catalizzatori, che accelerano la formazione di questi gas. Grazie a questo, i MOF idonei possono contribuire a rendere più redditizia l'elettrolisi dell'acqua. I materiali catalizzatori classici utilizzano spesso costosi metalli preziosi e non possono essere prodotti su misura. Un gruppo di ricerca guidato da Emiliana Fabbri e da me sta quindi analizzando quali MOF sono più adatti a questo scopo e sta sviluppando i corrispondenti prototipi. Ma i catalizzatori non sono necessari solo per l'elettrolisi dell'acqua, bensì anche, ad esempio, per produrre carburante per aviogetti sintetico e quindi sostenibile, a partire da idrogeno e carbonio. Da noi, il gruppo di Marco Ranocchiari ha svolto un lavoro pionieristico e sta attualmente costruendo un impianto dimostrativo nel sito dell'Istituto Paul Scherrer PSI in collaborazione con la Metafuels AG di Adliswil in qualità di partner industriale.

Come si può concretamente immaginare la ricerca sui catalizzatori MOF?

Studiamo i MOF a vari livelli. Ad esempio, Vitaly Sushkevitch e Jeroen van Bokhoven utilizzano la SLS (Swiss Light Source: Sorgente di luce di sincrotrone svizzera) per mappare e comprendere meglio le singole fasi della sintesi dei MOF. Nell'ambito dell'elettrolisi dell'acqua, ad esempio, vogliamo sapere come cambiano i catalizzatori nel corso dell'elettrolisi. A tal proposito, la Sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS dell'Istituto Paul Scherrer PSI svolge un ruolo decisivo: i suoi raggi X penetrano nelle celle elettrolitiche e ci mostrano a livello molecolare cosa succede al loro interno. E questo avviene in tempo reale, cioè mentre le reazioni chimiche si svolgono sul catalizzatore. Come potete vedere, la SLS offre possibilità uniche a livello mondiale per problematiche molto diverse, soprattutto nel campo della spettroscopia di assorbimento di raggi X (spettroscopia XAS) e della tomografia computerizzata. Questo ci fornisce un aiuto decisivo per determinare quali siano i punti deboli e i punti di forza delle diverse varianti dei MOF e a sviluppare catalizzatori sempre migliori. E, per concludere: una volta ottenuto un nuovo catalizzatore MOF, prima di poterne fare un utilizzo tecnico occorre portarlo in una forma macroscopica corretta. Questo passaggio fondamentale viene eseguito qui da Andrea Testino, il che rende così possibile, ad esempio, l'utilizzo dei catalizzatori PSI nell'impianto dimostrativo sopra citato.

L'aggiornamento della Sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS ha migliorato le vostre possibilità di ricerca?

Con la nuova SLS possiamo eseguire misurazioni molto più rapidamente grazie al raggio X più brillante. Ora registriamo spettri di raggi X completi in meno di un secondo! E se, per completare il tutto, vogliamo misurare quale sia l'aspetto degli stadi intermedi molecolari a vita ultrabreve durante una reazione chimica, utilizziamo lo SwissFEL, il laser ad elettroni liberi a raggi X svizzero, sito presso l'Istituto Paul Scherrer PSI.

Di quale risultato concreto del vostro centro di ricerca siete particolarmente orgogliosi?

L'estate scorsa Julia Linke, una delle nostre dottorande nel gruppo di ricerca sull'elettrocatalisi e le interfasi, ha completato il suo dottorato con un risultato molto interessante: ha potuto dimostrare che è possibile produrre un catalizzatore funzionante per l'elettrolisi già a partire da uno stadio intermedio della sintesi dei MOF, che evita l'ultima fase di cristallizzazione e funziona a temperature più basse. Questo significa che ora siamo in grado di abbreviare e semplificare in modo decisivo il processo di produzione. Ciò promette ulteriori risparmi in termini di costi per possibili applicazioni commerciali.

È ottimista sul fatto che i MOF diventeranno quei materiali miracolosi che si ritiene siano?

Occorre tenere presente che lo stoccaggio di CO₂ e la catalisi sono soltanto due tra le innumerevoli potenziali applicazioni. I MOF hanno la capacità di separare, immagazzinare e rendere nuovamente disponibile qualsiasi combinazione di gas. Oppure, prendiamo in considerazione la medicina: i MOF possono trasportare dei principi attivi e distribuirli in modo mirato nell'organismo. Oggi si conoscono già 90.000 varianti diverse di reticoli metallorganici e i modelli computazionali ne prevedono altre centinaia di migliaia. Anche se non tutte le varianti sono stabili, ogni combinazione di ioni metallici e composti organici comporta proprietà del tutto specifiche. Siamo ancora ben lontani dal sapere tutto ciò che si può fare con i MOF.