Il potere invisibile del triangolo metallico
Perché è possibile produrre ammoniaca con un triangolo di atomi di ferro, ma non con un triangolo di atomi di cromo
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Due materiali quasi identici, ma con un comportamento chimico completamente diverso: gruppi di ricerca dell’Università di Vienna e del Politecnico di Vienna hanno studiato dei catalizzatori che consentono di sfruttare l’energia della luce solare per produrre ammoniaca. Con grande sorpresa, è emerso che se si sostituiscono tre atomi di ferro, disposti in minuscoli triangoli all’interno di tali catalizzatori, con atomi di cromo, la reazione chimica non ha più luogo.
Ora è stato possibile spiegarne il motivo: le strutture triangolari di ferro e cromo presentano proprietà magnetiche completamente diverse, e sono proprio queste proprietà magnetiche a determinare se il materiale sia idoneo o meno a fungere da catalizzatore. Entrambi i gruppi di ricerca fanno parte del cluster di eccellenza FWF MECS (Materials for Energy Conversion and Storage), che si occupa dello sviluppo di materiali innovativi per la transizione energetica.
Produzione di fertilizzanti ad alto consumo energetico
L’ammoniaca è indispensabile per l’umanità: i fertilizzanti a base di ammoniaca contribuiscono a nutrire gran parte della popolazione mondiale. Tuttavia, la produzione industriale di ammoniaca a partire da azoto e idrogeno richiede solitamente temperature e pressioni elevate, risultando quindi estremamente dispendiosa in termini energetici. Si sta quindi lavorando a un’alternativa che richieda meno energia: i fotocatalizzatori sono materiali speciali e innovativi che assorbono la luce solare e ne sfruttano l’energia per convertire l’azoto in ammoniaca.
«I candidati più promettenti in questo ambito sono i composti a struttura metallorganica», afferma Jana Bischoff (TU di Vienna). «Si tratta di cristalli che contengono piccole cavità. La loro struttura è costituita da nodi con atomi metallici collegati tra loro da molecole organiche».
Il team ha condotto ricerche su una struttura denominata MOF MIL-101. In questo caso, in ogni nodo sono presenti tre atomi metallici disposti a triangolo attorno a un atomo di ossigeno centrale. Questa struttura può essere realizzata con diversi tipi di atomi metallici senza alterarne l’intelaiatura. Ma dal punto di vista chimico la differenza è enorme: con gli atomi di ferro la struttura è in grado di produrre ammoniaca sotto l’azione della luce, mentre con il cromo questa reazione non avviene.
Inizialmente si era cercato di spiegare questa differenza in base al diverso numero di elettroni. Ora, però, il team ha scoperto che è la direzione magnetica degli atomi a svolgere un ruolo decisivo: il cosiddetto spin.
In tre non ci si può guardare negli occhi
Lo spin di un atomo di questo tipo può assumere diversi stati. Per gli atomi adiacenti, in questa struttura cristallina è vantaggioso avere direzioni di spin il più possibile opposte – ad esempio uno verso l’alto, l’altro verso il basso. «Nel caso del nostro catalizzatore, però, abbiamo a che fare con un triangolo formato da tre atomi di ferro», spiega Patrick Lechner (Università di Vienna). «Ciò significa che i primi due atomi di ferro possono assumere direzioni magnetiche opposte, ma il terzo non può più soddisfare questo requisito.» Questo fenomeno viene definito «frustrazione magnetica».
«È come se tre persone sedute a un tavolo volessero sedersi tutte esattamente una di fronte all’altra», spiega Patrick Lechner. «Le prime due possono guardarsi direttamente negli occhi. Ma per tutte e tre contemporaneamente ciò è impossibile».
Un triangolo di atomi di cromo, invece, si comporta in modo fondamentalmente diverso: in questo caso, due degli atomi formano un accoppiamento magnetico nettamente più stretto e costituiscono, per così dire, una coppia. Il terzo si accoppia solo debolmente con loro – come se due persone si rivolgessero l’una all’altra e parlassero direttamente tra loro, mentre la terza persona resta in disparte.
Tutto dipende dall’intensità dell’accoppiamento
Ora è emerso che questi diversi accoppiamenti magnetici sono strettamente legati al fatto che l’azoto si lega agli atomi metallici con intensità variabile dall’esterno. Nel caso degli atomi di ferro con la loro «frustrazione magnetica», si ottiene un’intensità di legame moderata tra ferro e azoto – abbastanza forte da trattenere l’azoto e trasformarlo in ammoniaca, ma abbastanza debole da rilasciare nuovamente gli atomi di azoto in seguito. Si tratta di una situazione quasi ottimale: in questo modo è possibile generare una molecola di ammoniaca dopo l’altra.
Nel caso degli atomi di cromo, invece, si forma un legame con l’azoto nettamente più forte. Ciò significa che l’azoto non può più essere rilasciato abbastanza rapidamente, il sito metallico rimane occupato e la struttura non è più in grado di trattenere altro azoto. Questa struttura non è quindi adatta come catalizzatore.
Il lavoro del team dimostra che, anche a parità di struttura cristallina, la scelta del metallo può determinare il modo in cui gli spin interagiscono. «Questa “impronta magnetica” è una chiave importante per comprendere come questi materiali funzionino come catalizzatori», sottolinea Leticia González (Università di Vienna).
«Ora possiamo, per così dire, osservare come gli atomi metallici in un nodo di questi cristalli “comunicano” magneticamente tra loro e quali effetti ciò abbia sul comportamento del materiale come catalizzatore», afferma Dominik Eder (Università Tecnica di Vienna). «Si tratta di un passo importante verso una produzione di ammoniaca a basso consumo energetico.»
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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