Fluorine Free Ph8 POSS Coated on Polyurethane Foam for Enhanced Oil/Water Separation Capability

Le fuoriuscite di petrolio e le acque reflue industriali sono minacce persistenti per i corsi d'acqua del mondo, trasformando fiumi e oceani puliti in fanghi tossici che danneggiano la fauna selvatica e interrompono gli ecosistemi. Per decenni, gli scienziati hanno cercato materiali che potessero agire come una spugna, assorbendo l'olio e lasciando indietro l'acqua. Un approccio promettente prevede l'uso di schiuma rivestita con sostanze chimiche speciali che respingono l'acqua ma attirano l'olio. Tuttavia, i rivestimenti più efficaci scoperti finora si basano su composti a base di fluoro. Sebbene questi materiali funzionino bene, sono anche noti per essere tossici e per rimanere nell'ambiente per secoli, rifiutandosi di degradarsi naturalmente. Ciò crea un difficile compromesso: una soluzione a un problema di inquinamento che ne introduce un altro. I ricercatori stanno ora cercando un modo per ottenere la stessa capacità di pulizia senza il danno ambientale a lungo termine, cercando materiali che siano resistenti, efficaci e sicuri per il pianeta.

In uno studio recente, un team di scienziati della Nigeria ha sviluppato un nuovo tipo di rivestimento che evita completamente il fluoro. Hanno creato un materiale chiamato ottafenil POSS privo di fluoro, che è una struttura minuscola, simile a una gabbia, composta da atomi di silicio e ossigeno circondati da anelli di carbonio e idrogeno. Per crearlo, hanno mescolato una sostanza chimica chiamata feniltriclorosilano con l'idrossido di potassio in una soluzione riscaldata, permettendo alle molecole di collegarsi tra loro in queste gabbie microscopiche stabili. I ricercatori hanno poi preso un pezzo standard di schiuma poliuretanica — il materiale morbido a celle aperse spesso utilizzato per mobili o filtri — e lo hanno immerso in una soluzione contenente la loro nuova sostanza chimica. Dopo l'asciugatura, la schiuma è rimasta con un sottile strato di queste minuscole gabbie attaccato alla sua superficie. L'obiettivo era vedere se questa semplice schiuma rivestita, priva di fluoro, potesse trasformare la schiuma in uno strumento capace di separare l'olio dall'acqua.

Il team ha prima confermato di aver costruito con successo la corretta struttura chimica. Utilizzando tecniche di imaging avanzate che agiscono come uno scanner di impronte digitali molecolari, hanno verificato che gli atomi di silicio erano disposti nella precisa forma a gabbia uniforme desiderata. Hanno anche testato come il materiale si comportasse sotto il calore. Il rivestimento si è dimostrato piuttosto stabile, mantenendosi integro fino a temperature di 450 gradi Celsius, punto in cui ha iniziato a degradarsi significativamente. Anche dopo questo riscaldamento intenso, una parte sostanziale del materiale è rimasta come residuo solido, suggerendo che formi una rete forte e resistente al calore. Forse la cosa più importante per l'uso nel mondo reale, i ricercatori hanno testato se la nuova sostanza chimica fosse dannosa per le cellule viventi. Hanno esposto cellule nervose di topo al materiale e hanno scoperto che la stragrande maggioranza delle cellule, circa il 94 percento, rimaneva sana e attiva, indicando che il rivestimento è non tossico e sicuro da maneggiare.

Quando i ricercatori hanno applicato questo rivestimento alla schiuma, la superficie è cambiata in un modo che ha alterato l'interazione dell'acqua con essa. Sotto un microscopio, la superficie della schiuma appariva ruvida e strutturata, coperta dalle minuscole particelle irregolari della nuova sostanza chimica. Questa rugosità è fondamentale per la funzione del materiale. Quando hanno posizionato una goccia d'acqua sulla schiuma trattata, l'acqua non si è diffusa né è penetrata, ma invece si è aggregata, formando una forma che toccava la superficie con un angolo superiore a 100 gradi. Questo comportamento classifica la schiuma come idrofobica, il che significa che respinge attivamente l'acqua. Poiché il materiale è anche naturalmente attratto dall'olio, può catturare selettivamente l'olio da una miscela allontanando l'acqua. Questo comportamento selettivo è esattamente ciò di cui si ha bisogno per pulire le fuoriuscite di petrolio o trattare acque reflue oleose.

Per testare se la schiuma potesse effettivamente svolgere il compito, il team l'ha immersa in una miscela di olio diesel e acqua. La schiuma rivestita ha iniziato immediatamente ad assorbire l'olio, trattenendo quasi cinque volte il proprio peso nel primo tentativo. I ricercatori hanno poi spremuto la schiuma per rimuovere l'olio e hanno ripetuto il processo cinque volte per vedere quanto bene reggesse. La schiuma ha performato bene inizialmente, assorbendo persino un po' più di olio nel secondo giro, poiché i pori venivano completamente bagnati. Tuttavia, con ogni spremuta e riutilizzo, la quantità di olio che poteva trattenere diminuiva gradualmente. Al quinto ciclo, la schiuma era ancora in grado di assorbire l'olio, ma la sua capacità era scesa significativamente. I ricercatori hanno osservato che questo declino era probabilmente dovuto al fatto che una parte dell'olio rimaneva intrappolata all'interno della schiuma dopo la spremitura, o forse a una piccola quantità di rivestimento che si spostava o si usurava durante il ripetuto maneggiamento.

Nonostante la graduale perdita di efficienza con l'uso multiplo, lo studio dimostra che una sostanza chimica priva di fluoro può trasformare con successo una comune schiuma in uno strumento funzionale per l'assorbimento dell'olio. Il materiale non è una soluzione permanente e perfetta che non degrada mai, ma offre un'alternativa valida e più sicura ai tossici rivestimenti fluorurati attualmente in uso. Dimostra che è possibile creare una superficie idrofobica utilizzando una chimica meno persistente nell'ambiente e innocua per le cellule viventi. Sebbene le prestazioni della schiuma svaniscano con l'uso ripetuto, la capacità di separare l'olio dall'acqua senza fare affidamento su sostanze pericolose rappresenta un passo significativo verso lo sviluppo di metodi sostenibili per la pulizia delle nostre acque.