Per evidenziare il contributo della chimica al progresso tecnologico, IUPAC seleziona annualmente le “Top Ten Emerging Technologies in Chemistry”: dieci innovazioni che offrono soluzioni rivoluzionarie alle principali sfide globali. In questo articolo, i 10 Young Observer italiani presentano e discutono le tecnologie emergenti selezionate per il 2024. (Clicca QUI per recuperare tutte le fonti, Ndr).
Introduzione
L’International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) è l’autorità mondiale per gli standard digitali in chimica, la nomenclatura e la terminologia chimica, inclusa l’assegnazione dei nomi ai nuovi elementi della tavola periodica, i metodi standardizzati di misurazione e le masse atomiche. Fondata nel 1919, IUPAC ha creato e continua a conservare il linguaggio comune della chimica, riunendo chimici di tutto il mondo e promuovendo lo sviluppo sostenibile.
IUPAC comprende 57 nazioni affiliate, ognuna rappresentata dalla propria National Adhering Organization (NAO). Per l’Italia, questo ruolo è ricoperto dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR). Con l’obiettivo di rafforzare la partecipazione di giovani ricercatori alle attività di IUPAC, il NAO-CNR-IUPAC ha istituito, a partire dal 2021, un bando per selezionare dieci Young Observers italiani. I vincitori del bando per il periodo 2024-25 sono gli autori di questo articolo.
Tra le numerose iniziative della IUPAC, il progetto Top Ten Emerging Technologies in Chemistry riveste un ruolo di particolare rilevanza, mirando a identificare e valorizzare tecnologie emergenti in grado di affrontare le sfide globali con soluzioni innovative e sostenibili. In questo articolo sono presentate e discusse le dieci tecnologie che gli esperti IUPAC hanno selezionato per il 2024.
1. Coppie di Lewis frustrate
Una coppia di Lewis frustrata (Frustrated Lewis Pair – FLP) è un composto o una miscela che contiene un acido e una base di Lewis che, per motivi sterici, non possono legarsi direttamente. Le FLP hanno dimostrato che processi tradizionalmente riservati ai metalli di transizione possono essere promossi da molecole leggere a base di P, N e B. Le FLP sono in grado di attivare molecole come H2 o CO2 o legami C-H e C-F, e trovano applicazione nella catalisi asimmetrica, nella chimica radicalica e nella produzione di materiali innovativi, tra cui polimeri biodegradabili, sensori e materiali autoriparanti.
2. Nanogeneratori triboelettrici
Un nanogeneratore triboelettrico (Triboelectric Nanogenerator – TENG) è un dispositivo che sfrutta l’effetto triboelettrico per convertire l’energia meccanica in energia elettrica. L’effetto triboelettrico consiste nel trasferimento di cariche elettriche tra due materiali diversi a seguito di contatto e separazione, creando una differenza di potenziale. I TENG sono una tecnologia rivoluzionaria per l’elettronica di uso quotidiano, con applicazioni che vanno dall’alimentazione di smartphone e tracker fitness fino all’ambito biomedico (pacemaker) e all’Internet of Things (IoT).
3. Aptameri
Gli aptameri sono brevi sequenze di acidi nucleici (DNA o RNA) che si legano con elevata specificità e affinità a bersagli quali peptidi, proteine e ioni metallici. Noti anche come “anticorpi sintetici”, possono essere sintetizzati chimicamente in vitro, riducendo costi e tempi di produzione e garantendo un’elevata riproducibilità. Le applicazioni degli aptameri variano dalla diagnostica alla terapia specifica e al drug delivery, con il rilascio selettivo di farmaci verso cellule target come quelle tumorali.
4. MXenes
Scoperti nel 2011, gli MXenes sono materiali bidimensionali basati su carburi, nitruri e carbonitruri di metalli di transizione. Caratterizzati da una combinazione unica di conduttività metallica, idrofilicità e chimica superficiale modulabile, trovano applicazione nell’accumulo di energia, nell’elettrochimica, nella catalisi e nelle tecnologie ambientali. Gli MXenes sono considerati una promettente alternativa sostenibile ai metalli nobili per la produzione di idrogeno.
5. Lubrificazione per idratazione
Ispirata ai meccanismi naturali delle articolazioni, la lubrificazione per idratazione sfrutta le proprietà uniche dell’acqua, come l’aumento della viscosità sotto pressione senza solidificare. Strati d’acqua stabilizzati da molecole come la lubricina riducono quasi a zero l’attrito, trovando applicazione in lenti a contatto, protesi articolari e strumenti medici.
6. Ionotronica nanofluidica bioispirata
I dispositivi Bioinspired Nanofluidic Ionotronics (BNI) riproducono il funzionamento delle sinapsi cerebrali utilizzando soluzioni acquose nanoconfinate, che riducono l’energia necessaria per il trasporto ionico. Questi sistemi aprono nuove prospettive nelle reti neurali artificiali e nel trattamento di patologie neurologiche.
7. Inibitori di KRAS
Le mutazioni di KRAS sono tra le più comuni nei tumori umani. Considerato “non trattabile” per decenni, dal 2013 sono stati sviluppati inibitori selettivi che hanno portato all’approvazione di nuovi farmaci efficaci per il trattamento di vari tipi di cancro.
8. Potenziali a reti neurali
L’Intelligenza Artificiale e il Machine Learning stanno rivoluzionando la chimica e la scienza dei materiali. Gli algoritmi basati su reti neurali, noti come Neural Network Potentials, modellano sistemi chimici complessi, consentendo la progettazione di nuovi materiali e l’ottimizzazione di reazioni chimiche.
9. Adsorbimento attivo
L’adsorbimento attivo utilizza strutture metallo-organiche decorate con macchine molecolari per catturare molecole di adsorbato in condizioni di non-equilibrio. Questa innovazione ha implicazioni in ambiti come energia, biomedicina e risanamento ambientale.
10. Elettrificazione del ciclo dell’azoto
L’elettrificazione del ciclo dell’azoto sfrutta elettrocatalisi e fonti energetiche rinnovabili per rendere sostenibile la sintesi di ammoniaca, riducendo le emissioni di CO2 e l’impatto ambientale dei fertilizzanti azotati.
Conclusioni
Le tecnologie emergenti selezionate da IUPAC nel 2024 dimostrano il ruolo cruciale della chimica nello sviluppo sostenibile e nell’innovazione scientifica. L’interconnessione tra chimica, intelligenza artificiale e biotecnologie sta aprendo nuove frontiere nella ricerca e nell’industria, con soluzioni rivoluzionarie per affrontare le sfide globali.
di Paola Albanesea , Francesca Cardanob, Luca Consentinoc , Sara Fulignatid, Tommaso Giovannini*e , Daniele Mazzarellaf , Nicola Mirottag, Roberto Nisticòh, Emilia Paonei , Giacomo Trapasso.
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