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livello difficile
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ARGOMENTO: INNOVAZIONE
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: RICERCA
parole chiave: sistemi di segregazione del CO2
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La nostra attenzione è spesso distratta da ciò che ci circonda, in particolare dalle cose angoscianti che riguardano la nostra sicurezza personale e collettiva. Senza parlare delle notizie riguardanti il mondo della scienza che sono spesso ignorate a favore del gossip e della cronaca oppure tirate fuori solo quando fanno presagire scenari apocalittici. La scienza per fortuna va avanti, nonostante l’oscurantismo di coloro che preferiscono investire solo in campi dai quali si possa più facilmente guadagnare. La notizia di oggi è nel mondo dell’innovazione tecnologica: un team scientifico cinese ha pubblicato uno studio di ricerca su Nano-Micro Letter in merito a robot micro/nano riconfigurabili per la gestione intelligente del carbonio in sistemi di supporto vitale in spazi confinati (vedi Riferimento 1).
Come sappiamo, il diossido di carbonio, più noto come anidride carbonica – CO2 – è un gas incolore ed inodore, componente naturale dell’aria e parte del ciclo globale del carbonio. Oltre a svolgere un ruolo importante nella fotosintesi, in cui le piante convertono la CO₂ in ossigeno, è un importante gas serra che contribuisce al riscaldamento globale ed ai cambiamenti climatici. La sua concentrazione è influenzata da processi naturali e dalle attività umane come la respirazione e la combustione di combustibili fossili. La produzione di anidride carbonica è un fattore critico negli ambienti confinati come l’interno dei mezzi sottomarini (sommergibili), sui veicoli spaziali e nelle stazioni spaziali, per cui un suo aumento riduce la sopravvivenza degli umani portandoli, agli estremi, alla morte. Viene da sé che sistemi per la segregazione di CO2 siano quindi importantissimi, se non vitali, nei sistemi di controllo ambientale e supporto (ECLSS) per prevenire rischi potenzialmente letali per l’Uomo causati dal suo accumulo. I metodi attuali per affrontare questo problema si basano principalmente sull’utilizzo di ammine liquide, che richiedono però energia relativamente elevata per la rigenerazione e possono rappresentare un rischio per la salute. Al contrario, materiali fisici di adsorbimento, come setacci molecolari, zeoliti e telai metallo-organici, hanno attirato notevole attenzione grazie al loro funzionamento relativamente sicuro ed alla facilità di rigenerazione. Per capirci, il setaccio molecolare assorbe azoto e anidride carbonica nell’aria, lasciando solo ossigeno nelle bombole, che viene purificata attraverso una valvola ad alta pressione per regolare la concentrazione del generatore di ossigeno. I materiali di rimozione dell’anidride carbonica utilizzano gruppi funzionali per reagire chimicamente con il CO2, dove le ammine primarie e secondarie formano acido carbamico. In particolare, la presenza di vapore acqueo nei sistemi chiusi facilita la formazione di bicarbonato di ammonio, migliorando così l’efficienza dell’utilizzo delle ammine, permettendo di raggiungere una capacità di assorbimento di 3–6 mmol g−1 di CO2.
Tuttavia, l’interazione chimica tra i gruppi amminici e il CO2 richiede un importante aumento dell’apporto energetico durante tale processo. Oltre un decennio fa, un lavoro pionieristico del gruppo di Hoshino (Riferimento 2), aveva dimostrato il potenziale dei materiali termo-reattivi per applicazioni di cattura del CO2. A tal riguardo, un team di ricerca cinese ha progettato con successo una serie di assorbenti solidi ad ammina a base di fibre sensibili alla temperatura, che mostrano una capacità di cattura di CO2 maggiore di 6 mmol g−1 ad una temperatura di rigenerazione di soli 60 °C.
disegno da studio in riferimento 1
Un’altra strategia per ridurre ulteriormente il consumo rigenerativo di energia durante il processo di cattura del carbonio è l’uso di fonti di energia pulita come l’energia solare. Sono stati proposti vari materiali, tra cui carbone attivo e grafene oltre a nanostrutture metalliche, per il desorbimento fototermico del CO2.
Questo approccio di riscaldamento “in situ”, che utilizza energia solare a basso costo e ad alta energia, dimostra il potenziale di ridurre il consumo di energia di rigenerazione rispetto ai metodi convenzionali a variazione di temperatura. Tuttavia, i materiali attuali di cattura di carbonio foto-termicamente rigeneranti soffrono di carenze nella gestione termica adattativa, dove il processo di input/output di energia è limitato da un meccanismo di conversione fototermica unidirezionale, rendendo quindi difficile regolare dinamicamente la distribuzione del campo termico. In particolare, la ricerca di massimizzare l’efficienza di conversione fototermica può trascurare le sfide critiche poste dall’accumulo termico localizzato sotto irradiazione solare continua ad alta intensità come, ad esempio, l’esposizione prolungata dei materiali ad alte temperature che può portare alla disattivazione ossidativa termica, riducendo così significativamente la loro vita utile. Secondo lo studio citato, l’impiego di nanoparticelle Fe3O4, con conversione fototermica e attuazione di un campo magnetico ha dimostrato di offrire una soluzione innovativa per la rigenerazione attraverso una gestione termica senza contatto.
Lo studio in riferimento1 ha trovato questa intuizione pensando ai comportamenti dei banchi di pesci nei quali i singoli elementi effettuano movimenti coordinati quando inseguiti da predatori. Questi nano/micro robot intelligenti (MNRM) funzionano in maniera assolutamente diversa dalle proprietà passive dei materiali tradizionali, dimostrando una reattività ambientale simile a quella dei pesci in un branco. Da un punto di vista costruttivo sono costituiti da nanofibre di cellulosa (CNF), un nano-motore Fe3O4 (magnetite), un ponte termicamente conduttivo di ossido di grafene (GO), un gel pluronico F127 a impiegato come trasportatore – e polietilenemina b. (PEI) come legante.
disegno da studio in riferimento 1
Al di là degli aspetti tecnici, che richiedono una conoscenza approfondita, immaginiamoci che ogni singolo robot diventa un “super cacciatore” di CO2, generando nel suo lavoro acido carbamico e bicarbonato di ammonio che, come accennato, mostrano un’eccellente capacità di assorbimento. In particolare, questo insieme, riconfigurabile su scala micro/nanometrica, ha dimostrato un’eccellente regolazione dinamica del metabolismo del carbonio anche in un ambiente confinato, dove è stato sperimentato con dei topi, dimostrando di poter prolungare il loro tempo di sopravvivenza fino al 54,61%, di fatto mitigando efficacemente il rischio di insufficienza polmonare indotta dall’accumulo eccessivo di anidride carbonica (CO2) nel sangue (ipercapnia). Una prospettiva affascinante per un loro impiego in ambienti confinati subacquei e nello spazio.
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Note
a. Il gel pluronico F127 è un polimero sintetico noto per la sua capacità unica di passare dallo stato liquido a quello gel in base alle variazioni di temperatura che ne fa un efficace veicolo di trasporto che viene ampiamente utilizzato in formulazioni farmaceutiche e industriali grazie alla sua biocompatibilità e struttura adattabile.
b. La Polietilenimmina (PEI) è un polimero ampiamente utilizzato in numerosi campi industriali e scientifici. Le sue notevoli proprietà includono una forte adesività, capacità di legame con acidi nucleici e proteine, e una notevole efficienza nel trasporto di geni. Queste caratteristiche rendono il PEI particolarmente utile in settori come la biotecnologia, la medicina, e l’ingegneria dei materiali.
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Riferimenti
1. Lu, W., Chen, R., Zhan, L. et al. Robot micro/nano-riconfigurabili per la gestione intelligente del carbonio in sistemi di supporto vitale in spazi confinati. Nano-Micro Letter. 18, 80 (2026). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01932-9
2. Y. Hoshino, K. Imamura, M. Yue, G. Inoue, Y. Miura, Assorbimento reversibile del CO2 innescato dalla transizione di fase di particelle micro- e nanogel contenenti amine. J. Am. Chem. Soc. 134(44), 18177–18180 (2012). https://doi.org/10.1021/ja3080192
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