Semiconduttori e polimeri porosi per degradare i forever chemicals: il nuovo approccio supera i limiti dei sistemi di filtraggio e traccia la via per la bonifica

La stabilità del legame carbonio-fluoro è uno dei pilastri della chimica moderna, ma è anche la ragione per cui i PFAS rappresentano una delle sfide ambientali più complesse della nostra epoca. Per scardinare strutture così resistenti da essersi guadagnate il nome di “forever chemicals” non basta più confinare il problema con dei filtri. Serve una tecnologia capace di risolverlo sul serio, scomponendo le molecole inquinanti in composti finalmente innocui.

Una collaborazione scientifica internazionale tra Regno Unito, Brasile e Scozia ha appena illustrato un approccio innovativo alla degradazione dei PFAS basato su un materiale composito che unisce la capacità di adsorbimento dei polimeri porosi con la potenza reattiva dei semiconduttori organici. Il risultato è un sistema che sfrutta la luce solare per neutralizzare l’inquinamento, trasformando una minaccia persistente in una possibile risorsa per la diagnostica ambientale.

Una nuova tecnologia per distruggere i forever chemicals

Un team di ricerca internazionale ha sviluppato un fotocatalizzatore che usa la luce del sole per degradare i PFAS, i cosiddetti inquinanti eterni. Le sostanze perfluoroalchiliche e polifluoroalchiliche, presenti in centinaia di prodotti d’uso comune, sono basate sul legame tra carbonio e fluoro, uno dei più forti e stabili che esista. Né i batteri, né il calore, né gli acidi naturali riescono a spezzare questo legame, così i PFAS – un tempo estremamente apprezzati per la loro “indistruttibilità” – finiscono con l’accumularsi nell’organismo e nell’ambiente, con effetti tossici.

Da tempo gli scienziati stanno cercando di capire come scomporre queste molecole altamente inquinanti in modo da poter “neutralizzare” i loro effetti sull’ambiente e sulla salute umana. I metodi attuali si basano perlopiù sull’adsorbimento (la cattura fisica dei PFAS da parte di strutture molto porose), su processi elettrochimici come la catalisi eterogenea e sulla biodegradazione – la via forse più difficile, poiché sono pochissimi i microrganismi in grado di “digerire” i forever chemicals. C’è poi la fotodegradazione, che utilizza la luce solare per attivare un materiale (fotocatalizzatore) e generare specie chimiche altamente reattive che attaccano i PFAS, disgregandoli in frammenti meno tossici.

Finora, spiegano gli scienziati, si sono usati soprattutto metalli per la fotocatalisi, che però possono essere costosi o difficili da recuperare dopo l’uso. Perciò i ricercatori dell’Università di Bath, con colleghi dell’Università di San Paolo (Brasile), dell’Università di Edimburgo (Scozia) e dell’Università di Swansea (Galles) hanno sviluppato un nuovo fotocatalizzatore a base di nitruro di carbonio grafitico. Combinato con un polimero microporoso rigido, il nuovo catalizzatore può scomporre i PFAS in sostanze innocue come anidride carbonica e fluoruro, la forma ionica (e non pericolosa) del temibile fluoro.

Sinergia tra polimeri: cattura e distruzione dei PFAS

Il nuovo materiale fotocatalitico, si legge nello studio appena pubblicato su RSC Advances, unisce due componenti fondamentali: il nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4), un polimero non tossico formato da carbonio e azoto con una struttura simile a quella del grafene, e il PIM-1, un polimero rigido microporoso. Il primo agisce come un semiconduttore che si attiva con la luce solare per innescare la fotodegradazione degli inquinanti, mentre il secondo attira e intrappola le molecole di PFAS come avviene nei sistemi di adsorbimento.

Mettendo a sistema questi due elementi, si risolvono due dei principali limiti tecnici della degradazione dei PFAS: da un lato il nitruro di carbonio risolve le “mancanze” dei carboni attivi, che si limitano ad accumulare i forever chemicals senza modificarli, dall’altro il PIM-1 risolve la bassa affinità dei fotocatalizzatori classici con l’inquinante, facilitando l’incontro ravvicinato tra i PFAS e il sito attivo del catalizzatore.

Come spiega la Dottoressa Fernanda C. O. L. Martins, prima autrice dello studio,

“Il nostro progetto ha combinato un catalizzatore a base di carbonio facile da realizzare con un polimero chiamato PIM-1 per rendere la degradazione dei PFAS più efficiente, soprattutto a pH neutro, che si trova naturalmente nell’ambiente”.

Una delle intuizioni centrali è stata quella di spostare l’attenzione dal fotocatalizzatore in sé all’ambiente circostante: la presenza di materiali intrinsecamente porosi, infatti, può influenzare la reattività superficiale dei catalizzatori. “In particolare”, si legge nello studio, “la rigidità molecolare in queste strutture polimeriche può influenzare la concentrazione locale e la reattività dei reagenti senza che i polimeri vengano degradati a loro volta”.

Il futuro della ricerca: dal laboratorio al sensore portatile

Il processo di degradazione dei forever chemicals, spiegano i ricercatori, avviene in due fasi: prima il rivestimento in PIM-1 concentra i PFAS sulla superficie del catalizzatore, poi, sotto l’azione della luce, il nitruro di carbonio genera specie altamente reattive che spezzano i fortissimi legami carbonio-fluoro, trasformando gli inquinanti organici in sostanze innocue come gli ioni fluoruro.

La nuova ricerca dimostra che rivestire un fotocatalizzatore con un polimero microporoso aumenta drasticamente la velocità con cui i forever chemicals vengono distrutti dalla luce solare. Oltre alla bonifica, la tecnologia potrebbe alimentare una nuova generazione di sensori, capaci di individuare la presenza di PFAS rilevando proprio il fluoruro rilasciato durante la loro degradazione.

Come spiega il Professor Frank Marken dell’Università di Bath, che ha guidato il progetto:

“Attualmente è molto difficile rilevare i PFAS, poiché richiede apparecchiature costose in un laboratorio specializzato. Ci auguriamo che in futuro la nostra tecnologia possa essere utilizzata in un semplice sensore portatile che possa essere utilizzato al di fuori del laboratorio, ad esempio per rilevare dove ci sono livelli più elevati di PFAS nell’ambiente”. 

Sebbene il sistema sia attualmente allo stadio di prototipo, il team di ricerca è attivamente alla ricerca di partner industriali per scalarne la produzione, ottimizzare il processo e portare questa soluzione su scala reale.

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