LA RICERCA GIAPPONESE VEDE LA STAMPA 3D DI SOLIDI STRUTTURALI METALLO-ORGANICI
Un team di ricercatori dell’Università di Kyoto ha stampato con successo strutture solide realizzate con strutture metallo-organiche (MOF). I MOF sono un gruppo di materiali utilizzati per la catalisi, lo stoccaggio del gas e l’elaborazione del gas a causa delle loro proprietà di assorbimento che sono il risultato della loro porosità.
Utilizzando una stampante 3D modificata per la deposizione controllata di inchiostri realizzati con quattro diversi MOFS, il team ha dimostrato la fattibilità delle strutture MOF per la stampa 3D che mantengono la porosità e le proprietà meccaniche pertinenti.
Ad oggi, sono stati fabbricati e caratterizzati oltre 20.000 MOF diversi. Uno dei fattori chiave da considerare nella progettazione dei MOF è l’equilibrio tra la porosità del materiale e la sua resistenza meccanica alle sollecitazioni riscontrate nell’applicazione specifica per cui verrà utilizzato.
Jérémy Dhainaut, un ex ricercatore dell’Università di Kyoto al momento di questo lavoro, ha dichiarato: “Mentre i MOF sono prodotti come polveri sfuse e testati come tali su scala di laboratorio, le applicazioni in genere richiedono solidi facili da maneggiare con una forma specifica e sufficienti robustezza meccanica per resistere a sollecitazioni dannose a lungo termine, quali attrito e pressione idrostatica. Nel nostro recente lavoro, ci siamo concentrati sulla preparazione di solidi a base di MOF mediante robotica con morfologia macroscala controllata e proprietà tessili superiori. “
Il robocasting era il processo utilizzato per fabbricare le strutture MOF solide, per cui un filamento di un materiale simile alla pasta viene estruso da un piccolo ugello, alla fine solidificandosi nella forma dell’oggetto desiderato. Gli inchiostri MOF erano in presenza di basse proporzioni di un legante e un plastificante per garantire l’integrità strutturale.
“Questo tipo di robocasting – una tecnica di microestrusione basata sulla deposizione controllata, strato per strato di una pasta – presenta i vantaggi di darci un controllo perfetto sulle dimensioni e sulla morfologia del solido finale, oltre ad avere un effetto molto limitato sulla porosità dei materiali “, spiega Dhainaut. “In presenza di una piccola quantità di legante derivato dalla cellulosa, i solidi non solo sono autoportanti dopo l’asciugatura, ma mostrano anche una conseguente robustezza.”
Il team ha utilizzato una varietà di tecniche di caratterizzazione dei materiali per testare le proprietà strutturali e materiche dei MOF stampati in 3D, concludendo che il processo di robotica ha avuto un impatto leggermente negativo su queste proprietà. I solidi hanno mantenuto una microporosità permanente paragonabile alle polveri originali. Hanno anche mostrato un’elevata resistenza a compressione inferiore di 1-2 ordini di grandezza rispetto a quella di densi pellet senza leganti. I risultati sono particolarmente impressionanti se si considera che le polveri porose sagomate tendono a mostrare una perdita di prestazioni in presenza di leganti. I leganti bloccano i pori e riducono parzialmente la rete dei pori.
“Precedenti studi hanno dimostrato che le tecniche di densificazione utilizzate su scala industriale, quando applicate ai MOF, portano a una perdita irreversibile delle prestazioni”, spiega Dhainaut. “Questo non è il caso quando si utilizza la nostra tecnica di robotica.”
I ricercatori hanno in programma di stampare paste più viscose poiché ritengono che ciò migliorerà la robustezza finale delle parti stampate in 3D e l’assorbimento volumetrico. Inoltre, saranno in corso prove con polveri più porose per aumentare l’assorbimento gravimetrico delle parti stampate in 3D. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha fissato alti volumi volumetrici e gravimetrici come prerequisito per i veicoli a idrogeno e gas naturale. È tuttavia raro trovare un materiale che mostri entrambe le proprietà.
Conclude Dhainaut: “Riteniamo che il nostro studio spiana la strada alla preparazione di solidi a base MOF altamente porosi con design completamente adattabili alle loro applicazioni: microreattori, letti adsorbenti o membrane di separazione con morfologie specifiche, per citarne alcuni.”
Lo studio è intitolato ” Formulazione di inchiostri metallici-organici per la stampa 3D di solidi microporosi solidi verso lo stoccaggio e la separazione di gas ad alta pressione “. È stato pubblicato sulla rivista ACS Applied Materials & Interfaces .
Grazie alla loro porosità naturale, i MOF hanno dimostrato di essere preziosi nella separazione dei gas. La raccolta di biossido di carbonio, in particolare, è necessaria per le bevande gassate, la refrigerazione e il recupero dell’olio. I ricercatori del Missouri hanno già utilizzato la stampa 3D per dimostrare la fattibilità di filtri compositi MOF alternativi per l’elaborazione del biossido di carbonio. Sono necessari ulteriori lavori nel campo dei MOF stampati in 3D, ma i risultati preliminari suggeriscono che la raccolta, la separazione e lo stoccaggio del gas possono trarre vantaggio da tecniche di produzione additiva.