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Polimeri microporosi di nuova generazione: una indagine molecolare delle correlazioni struttura-proprietà

 

I PIM sono una classe di polimeri microporosi ultra-permeabili che hanno attratto recentemente l'attenzione per diverse applicazioni a  membrana [1]. I PIM-EA-TB, rappresentano una nuova classe di PIM, caratterizzati da una struttura molto più rigida e contorta dei materiali di partenza, con prestazioni sorprendenti nel campo della separazione gassosa [1] e selettività di O2/N2 che vanno oltre il limite di Robeson [2](Schema 1).

 

Schema 1. Struttura molecolare dell’unità ripetitiva di PIM-TB-EA

 

La modellazione molecolare delle membrane polimeriche e del trasporto di singole molecole penetranti ha fornito una più profonda comprensione delle correlazioni struttura-proprietà [3,4].

 

Modelli Polimerici

Un modello tri-dimensionale di PIM-EA-TB, contenente molecole di gas è indicata  nella Figura 1. Il software Accelrys [4] è stato usato per la costruzione e l'analisi delle diverse proprietà.

Il moto delle molecole di  ossigeno (rosso) e di azoto (blu) molecole è mostrato nel filmato nell'arco di 2 nanosecondi di simulazione.

 

{flv}O2N2_TBPIM{/flv}

Figura 1. Una scatola tri-dimensionale di PIM-EA-TB, contenente le molecole di gas O2 (in rosso) e N2 ( in blu).

 

Analisi del volume libero

Un metodo usato per “misurare” il volume libero è quello di considerare il volume accessibile ad un probe. Nella figura il probe usato è  l’N2. In rosso è indicato lo spazio occupato dal polimero, in blu la zona non occupata ed accessibile all’N2.

Nel movie il box viene allargato e ruotato attorno ai tre assi per dare una migliore visualizzazione.

 

{flv}TBPIM{/flv}

Figure 2. Visualizzazione del volume libero accessibile ad un probe di N2 in un modello tridimensionale di  PIM-EA-TB

 

Correlazione volume libero -proprietà di trasporto

In Figura 3 è visualizzato volume libero accessibile a tre diversi probe: positronio (in verde), ossigeno (in rosso) e azoto (in blu). La quantità di volume libero visitato dipende dalle dimensioni delle molecole che lo percorrono. Il Positronio  ha il diametro cinetico più piccolo con conseguente  maggiore quantità di volume libero accessibile, segue l’O2 e per ultimo l’N2. È noto che la diffusione dei gas in polimeri vetroso può essere collegata con il volume libero frazionario: si comprende perché il coefficiente di diffusione di O2 è maggiore di quello di N2 e così la selettività O2/N2.

 

Figura 3. Il volume libero accessibile alle sonde di   positronio (in verde),  di ossigeno (in rosso) e di azoto (in blu) in un modello tri-dimensionale di PIM-EA-TB.

 

Bibliografia

[1]   Carta M., Malpass-Evans R., Croad M., Rogan Y.,. Jansen J.C, Bernardo P., Bazzarelli F., McKeown N.B. Science, 2013, 339, 303-307

[2]   Robeson L. M.  Journal of  Membrane Science, 2008, 320, 390.

[3]   De Lorenzo L., Tocci E., Gugliuzza, A., Drioli, E.  Journal of  Membrane Science, 2012, 421, 75-84.

[4]   Jansen J.C.,  Macchione M., Tocci E., De Lorenzo L., Yampolskii Y. P., Sanfirova O., Shantarovich V. P., Heuchel  M., Hofmann D., Drioli E.  Macromolecules, 2009, 42 (19), 7589–7604.

[5]   Accelrys Inc., Material Studio (5.0), POLYMERIZER, DISCOVER, AMORPHOUS CELL, BUILDER SORPTION ATOM,VOLUMES AND SURFACE Modules 2001, San Diego, CA, USA; 2001.


 

 

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