Desalinizzare l’acqua? Proviamo con un (nuovo) nano-materiale

TECNOLOGIA – L’acqua potabile scarseggia e il cambiamento climatico sembra peggiorare la situazione. E se trovassimo un sistema per purificare l’acqua salata? L’interrogativo non è certo nuovo, e non pochi gli studi e le soluzioni proposte. Forse però il cerchio si sta chiudendo, bisogna puntare a materiali più facilmente gestibili a livello nanometrico, come suggerisce uno studio condotto da ricercatori dell’Università dell’Illinois pubblicato su Nature Communications.

Osmosi inversa: troppo costosa

Le tecnologie di filtrazione e desalinizzazione delle acque finora sviluppate e disponibili si basano sostanzialmente sul processo dell’osmosi inversa. L’osmosi è un meccanismo di diffusione: un fluido può passare attraverso una membrana da una soluzione a bassa concentrazione salina a una a più alta concentrazione. È il fenomeno grazie al quale per esempio le piante assorbono proprietà nutritive dal terreno attraverso le radici, o il sangue è purificato attraverso i reni. In questo caso si tratta però del meccanismo inverso, appunto: un liquido ricco d’inquinanti e ad alto tenore salino viene forzato attraverso una membrana dotata di pori piccoli abbastanza da bloccare ioni e impurità varie e far passare acqua più pura.

Si tratta un sistema in realtà abbastanza semplice e diffuso, a vari livelli di depurazione. È cosa nota che i soldati americani usavano piccoli depuratori simili per usare senza rischi le acque dei fiumi, o oggi spesso si sente ancora mormorare di ‘miracolosi’ depuratori domestici. Parliamo però di un meccanismo che richiede una certa quantità di energia: l’osmosi inversa ha dei costi complessivi che possono diventare faraonici se si punta a desalinizzare l’acqua del mare. Per spendere meno e depurare meglio, bisogna alzare il livello di complessità tecnologica dei dispositivi, magari abbassando le dimensioni fino a livello molecolare. I tentativi fatti finora non mancano, ma in generale si è trattato sempre di studi e soluzioni in fieri.

Ecco un nuovo materiale, il bisolfuro di molibdeno

Per migliorare le prestazioni dei filtri, i ricercatori dell’Università dell’Illinois hanno verificato le proprietà ottimali di un materiale inedito per questi scopi: MoS₂, il bisolfuro di molibdeno. Di cosa si tratta? Per fare buoni filtri, l’ideale è usare membrane molto sottili, in modo che la pressione da applicare per forzare l’acqua da pulire non sia eccessiva, e che le membrane non s’intasino di impurità. Se consideriamo anche la necessità di risparmiare, si può dire che il bilancio dei filtri tentati finora è complessivamente fallimentare.

Certo, ci sono nuovi materiali che garantiscono successo in primo luogo sullo spessore delle membrane. L’immancabile grafene, per esempio, consente di costruire membrane a singolo strato atomico. Ma se vince in dimensione, il materiale delle meraviglie – o in molti casi sarebbe meglio definire delle speranze – perde a livello chimico. A quella scala di grandezza – parliamo di nanometri (1nm= 1 miliardesimo di metro) – anche se solo a livello molecolare, le interazioni chimiche tra liquido e membrana possono diventare critiche e ostacolare l’intero processo. Il grafene, purtroppo, interagisce però troppo con le molecole d’acqua ed è necessario rimodellarlo per evitare i legami elettrostatici tra membrana e liquido.

È qui che entra in gioco il bisolfuro di molibdeno. I ricercatori guidati da Narayana Aluru avevano già avuto modo di studiare e apprezzare le proprietà di impermeabilizzazione di questo materiale in un altro ambito, quando è stato scelto per il sequenziamento del DNA . Grazie ai modelli matematici del Blue Waters supercomputer dell’Università dell’Illinois, il gruppo di ricerca ha predetto risultati migliori di quelli ottenuti dallo stesso grafene. Sebbene leggermente più spessi, i nano-fogli di bisolfuro di molibdeno non hanno infatti nessun problema di chimica, anzi.

Un filtro perfetto, dice il modello matematico

A differenza dei fogli di grafene, che come noto è fatto di fogli di un solo atomo, il carbonio, il bisolfuro di molibdeno ha in dotazione due atomi – molibdeno (Mo) e Zolfo (S) – con rispettive proprietà chimico-fisiche al seguito. Una singola molecola di questo composto è costituita da un atomo di molibdeno tra due di zolfo e, analogamente, un foglio è fatto di due strati di solfuro e uno di molibdeno nel mezzo. Con questa struttura di base, i ricercatori hanno constatato che è possibile ingegnerizzare la struttura in modo da bucherellare i nano-fogli con pori circondati da anelli di molibdeno. Questi anelli hanno speciali proprietà idrofiliche che minimizzano l’attrito e l’interazione con molecole esterne durante il passaggio dell’acqua.

In breve, le molecole d’acqua si muovono come se ci fossero delle tubazioni vere e proprie, e non membrane con degli ostacoli da superare. Questi nuovi filtri sarebbero inoltre anche più facili da produrre. Per realizzare tutto ciò con il grafene – che comunque rimane un candidato per la moderna desalinizzazione – servirebbe un lavoro d’ingegnerizzazione invece troppo complesso e costoso.
Insomma, ci sono in teoria vantaggi di tipo energetico, chimico-strutturale e industriale.

Si tratta di una partita a colpi di modelli matematici, certo, ma gli scienziati dei materiali sembrano avere le idee sempre più chiare sulla strada da seguire, mentre l’urgenza delle risorse idriche da soddisfare diventa più pressante, con connotazioni sempre più imprevedibili. Del resto proprio in California, dove si trova ora Amir Barati Farimani, uno degli autori dello studio, è una corsa contro il tempo per risolvere il problema della siccità. In questo senso, le nanotecnologie possono giocare un ruolo determinante per ridurre costi e sforzi per arginare gli effetti del cambiamento climatico, esasperati dall’incuria e dalla gestione insostenibile delle risorse. Queste tecnologie si fermano per ora alla teoria, le previsioni sulla siccità no.

@NightTripping

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