Minerali naturali che possono cambiare colore

Confrontate le principali proprietà che caratterizzano il fotocromismo di hackmaniti, tugtupiti e scapoliti (tre minerali naturali di alluminosilicato).

Queste proprietà sono l'energia di attivazione necessaria per generare il colore, lo spettro di assorbimento della forma colorata e l'energia schiarente che caratterizza il ritorno ad un minerale incolore.

Durante le indagini sull'hackmanite, un materiale naturale meraviglioso, i ricercatori hanno scoperto che, oltre ad altri due minerali, può cambiare colore dopo l'esposizione ai raggi UV ripetutamente senza esaurirsi. I risultati, pubbliati da Proceedings of the National Academy of Sciences, (1) mostrano che l'hackmanite è poco costoso, che è facile da sintetizzare, è anche un materiale eccellente per la sua elevata durabilità e applicabilità per diversi scopi.

Un gruppo di ricerca presso l'Università di Turku, in Finlandia, ha studiato e sviluppato le proprietà del materiale meraviglioso hackmanite per quasi un decennio. Applicazioni come il monitoraggio UV personale e l'imaging a raggi X sono state sviluppate sulla base della capacità dell'hackmanite di cambiare colore.

L'hackmanite cambia colore da bianco a viola sotto l'irradiazione UV e alla fine torna al bianco se non sono presenti UV. Le caratteristiche strutturali che consentono tali cambiamenti ripetuti finora non sono state chiare. Ora, dopo aver studiato tre minerali naturali - hackmanite, tugtupite e scapolite - i ricercatori hanno trovato la risposta.

I minerali che cambiano colore studiati sono materiali naturali inorganici, ma ci sono anche composti organici, idrocarburi, che possono cambiare colore in modo reversibile a causa dell'esposizione alle radiazioni. Questi idrocarburi, tuttavia, possono cambiare colore solo poche volte prima che la loro struttura molecolare si rompa. Questo perché il cambiamento di colore comporta un drastico mutamento nella struttura e subire ripetutamente questa variazione alla fine rompe la molecola.

«In questa ricerca, abbiamo scoperto per la prima volta che in realtà c'è un cambiamento strutturale coinvolto anche nel processo di cambio colore. Quando il colore cambia, gli atomi di sodio nella struttura si spostano relativamente lontano dai loro luoghi abituali e poi ritornano indietro. Questo può essere chiamato respirazione strutturale e non distrugge la struttura anche se viene ripetuto un gran numero di volte», riferisce la professoressa Mika Lastusaari (2) del Dipartimento di Chimica dell'Università di Turku, in Finlandia.

I ricercatori hanno dimostrato che la capacità dell'hackmanite di alternare tra forme bianche e viola è altamente ripetibile

Secondo la professoressa Mika Lastusaari, la durabilità è dovuta alla forte struttura tridimensionale a gabbia di questi minerali, simile a quella che si trova nelle zeoliti. Nei detersivi, ad esempio, la struttura a gabbia consente alla zeolite di rimuovere magnesio e calcio dall'acqua legandoli saldamente all'interno dei pori della gabbia.

«In questi minerali che cambiano colore, tutti i processi associati al mutamento di colore avvengono all'interno dei pori della gabbia zeolitica dove risiedono gli atomi di sodio e cloro. Cioè, la struttura a gabbia consente il movimento atomico all'interno di essa mantenendola intatta. Questo è il motivo per cui i minerali possono cambiare colore e tornare al loro colore originale praticamente indefinitamente», spiega il ricercatore di dottorato Sami Vuori. (3)

In precedenza, era noto che la scapolite cambia colore molto più velocemente dell'hackmanite, mentre i cambiamenti di tugtupite sono molto più lenti.

«Sulla base dei risultati di questo lavoro, abbiamo scoperto che la velocità del cambiamento di colore è correlata alla distanza percorsa dagli atomi di sodio. Queste osservazioni sono importanti per lo sviluppo futuro dei materiali, perché ora sappiamo cosa è richiesto dalla struttura ospite per consentire il controllo e la personalizzazione delle proprietà del cambiamento di colore», commenta la ricercatrice di dottorato Hannah Byron. (4)

«Non erano disponibili metodi di caratterizzazione per la ricerca sui minerali che cambiano colore, motivo per cui abbiamo sviluppato noi stessi nuovi metodi. Tuttavia, è difficile interpretare i risultati in modo univoco sulla base dei soli dati sperimentali. In effetti, non avremmo potuto raggiungere le presenti conclusioni senza un forte supporto da parte dei calcoli teorici, poiché solo la combinazione di dati sperimentali e computazionali mostra l'intero quadro. Dobbiamo moltissimi ringraziamenti al nostro collaboratore, il professor Tangui Le Bahers e al suo gruppo, che hanno sviluppato e avanzato metodi computazionali adeguati con un dettaglio e una precisione tali che non sarebbero stati possibili solo pochi anni fa», riflette Mika Lastusaari.

Hackmanite ha un potenziale straordinario per le applicazioni

L'Intelligent Materials Research Group presso il Dipartimento di Chimica dell'Università di Turku, guidato da Lastusaari, conduce da tempo ricerche pionieristiche sui materiali con proprietà legate alla luce e al colore, in particolare sull'hackmanite. Attualmente stanno esplorando numerose applicazioni per l'hackmanite, come la possibile sostituzione di LED e altre lampadine con il minerale naturale e il suo utilizzo nell'imaging a raggi X.

Una delle strade più interessanti che i ricercatori stanno attualmente esplorando è un dosimetro basato su hackmanite e rilevatori passivi per la Stazione Spaziale Internazionale, destinati ad essere utilizzati per misurare l'assorbimento della dose di radiazioni dei materiali durante i voli spaziali.

«La forza del colore dell'hackmanite dipende dalla quantità di radiazioni UV a cui è esposta, il che significa che il materiale può essere utilizzato, ad esempio, per determinare l'indice UV della radiazione solare. L'hackmanite che verrà testato sulla stazione spaziale verrà utilizzato in modo simile, ma questa proprietà può essere utilizzata anche nelle applicazioni quotidiane. Ad esempio, abbiamo già sviluppato un'applicazione per telefoni cellulari per la misurazione delle radiazioni UV che può essere utilizzata da chiunque», spiega il dottor Sami Vuori.

Il consorzio di ricerca internazionale comprendeva il gruppo di ricerca Intelligent Materials Chemistry e il Materials Research Laboratory dell'Università di Turku, in Finlandia, insieme all'Università Claude Bernard Lyon 1, in Francia, e alla Società mineralogica di Anversa, in Belgio.

Riferimenti:

(1) The structural origin of the efficient photochromism in natural minerals

(2) Mika Lastusaari

(3) Sami Vuori

(4) Hannah Byron

Descrizione foto: L'hackmanite diventa viola sotto l'irradiazione UV e il colore torna al bianco in pochi minuti sotto la normale luce bianca. Questo campione proviene dalla Groenlandia. - Credit: Mika Lastusaari. La scapolite bianca diventa blu sotto l'irradiazione UV. La colorazione e il ritorno al bianco dopo la rimozione della sorgente UV richiedono solo pochi secondi, perché gli atomi nella struttura si muovono per brevi distanze. La scapolite è un minerale piuttosto comune. Questo campione viene dall'Afghanistan. - Credit: Sami Vuori.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Natural Mineral Hackmanite Can Change Colour Almost Indefinitely Enabling Numerous Applications