Il cromo sostituisce i metalli nobili rari e costosi

I costosi metalli nobili svolgono spesso un ruolo vitale nell’illuminazione degli schermi o nella conversione dell’energia solare in combustibili. Ora, chimici all'Università di Basileasono riusciti a sostituire questi rari elementi con un metallo significativamente più economico. In termini di proprietà, i nuovi materiali sono molto simili a quelli utilizzati in passato.

Conosciamo il cromo dalle applicazioni quotidiane come l'acciaio cromato in cucina o le motociclette cromate. Presto, però, l'elemento potrebbe trovarsi anche sugli schermi degli onnipresenti telefoni cellulari o essere utilizzato per convertire l'energia solare. I ricercatori guidati dal professor Oliver Wenger del Dipartimento di Chimica dell’Università di Basilea hanno sviluppato composti di cromo che possono sostituire i metalli nobili osmio e rutenio – due elementi rari quasi quanto l’oro o il platino – nei materiali luminescenti e nei catalizzatori. In un articolo su Nature Chemistry, il team riferisce che le proprietà luminescenti dei nuovi materiali di cromo sono quasi altrettanto buone di quelle di alcuni dei composti di osmio utilizzati finora. Rispetto all'osmio, tuttavia, il cromo è circa 20.000 volte più abbondante nella crosta terrestre e molto più economico.

I nuovi materiali si stanno rivelando anche catalizzatori efficienti per le reazioni fotochimiche, compresi i processi innescati dall'esposizione alla luce, come la fotosintesi. Le piante utilizzano questo processo per convertire l'energia della luce solare in glucosio ricco di energia e altre sostanze che fungono da combustibile per i processi biologici.

Se i nuovi composti di cromo vengono irradiati con una lampada rossa, l'energia della luce può essere immagazzinata in molecole che possono poi fungere da fonte di energia. "Qui c'è anche il potenziale per utilizzare i nostri nuovi materiali nella fotosintesi artificiale per produrre combustibili solari", spiega Wenger.

Per far brillare gli atomi di cromo e consentire loro di convertire energia, i ricercatori li hanno integrati in una struttura molecolare organica composta da carbonio, azoto e idrogeno. Il team ha progettato questa struttura organica affinché fosse particolarmente rigida, in modo che gli atomi di cromo fossero ben impacchettati. Questo ambiente su misura aiuta a ridurre al minimo le perdite di energia dovute a vibrazioni molecolari indesiderate e a ottimizzare le proprietà luminescenti e catalitiche. Lo svantaggio dei nuovi materiali è che il cromo richiede una struttura più complessa rispetto ai metalli nobili e pertanto in futuro saranno necessarie ulteriori ricerche.

Racchiuso nella sua rigida struttura organica, il cromo si rivela molto più reattivo dei metalli nobili se esposto alla luce. Ciò apre la strada a reazioni fotochimiche che altrimenti sarebbero difficili da avviare. Una potenziale applicazione potrebbe essere nella produzione di principi attivi farmaceutici.

Per molto tempo la ricerca di materiali sostenibili ed economici senza metalli nobili si è concentrata principalmente su ferro e rame. Altri gruppi di ricerca hanno già ottenuto risultati promettenti con entrambi questi elementi e in passato il cromo è stato incorporato anche nei materiali luminescenti.

In molti casi, tuttavia, le proprietà luminescenti e catalitiche di questi materiali erano molto inferiori a quelle dei materiali contenenti metalli nobili rari e costosi, non riuscendo quindi a rappresentare una reale alternativa. I nuovi materiali a base di cromo si differenziano perché contengono una forma di cromo particolarmente simile ai metalli nobili, ottenendo così efficienze luminescenti e catalitiche molto vicine a quelle dei materiali contenenti tali metalli.

“Al momento, non sembra chiaro quale metallo alla fine vincerà la corsa per quanto riguarda le future applicazioni nei materiali luminescenti e nella fotosintesi artificiale”, afferma Wenger. “Ciò che è certo, tuttavia, è che i postdoc Dr. Narayan Sinha e Dr. Christina Wegeberg hanno fatto importanti progressi insieme.”

Successivamente, Wenger e il suo gruppo di ricerca mirano a sviluppare i loro materiali su scala più ampia per consentire test più ampi di potenziali applicazioni. Apportando ulteriori miglioramenti, sperano di ottenere un'emissione di luce in diversi colori spettrali, dal blu al verde al rosso. Vogliono anche ottimizzare ulteriormente le proprietà catalitiche per avvicinarci di più alla conversione della luce solare in energia chimica per l’immagazzinamento, come nella fotosintesi.