Ossido di grafene e nucleazione del ghiaccio nell’atmosfera

Pubblicato il 21 Agosto 2021 da Veronica Baker

Le cose sono unite da legami invisibili : non si può cogliere un fiore senza turbare una stella.

Albert Einstein


Ossido di grafene e nucleazione del ghiaccio nell’atmosfera

Studio di riferimento

Joghataei, M.; Ostovari, F.; Atabakhsh, S.; Tobeiha, N. (2020). Nucleazione eterogenea di ghiaccio da parte di nanoparticelle di grafene = Heterogeneous ice nucleation by Graphene nanoparticles. Scientific reports, 10 (1), pp. 1-9. https://doi.org/10.1038/s41598-020-66714-2

Fatti analizzati

Questo studio ha indagato come le “nanoparticelle di grafene-ossido di grafene“, chiamate “GGON“, possono servire come base per la nucleazione del ghiaccio, in poche parole la formazione di cristalli di ghiaccio.

I ricercatori hanno osservato che le nanoparticelle GGON con una dimensione compresa tra 160 e 180 nanometri, favoriscono la formazione di cristalli di ghiaccio a temperature variabili tra -20 e -10 gradi Celsius, esperimento effettuato in una camera di nebbia che simula le condizioni delle nuvole di aerosol nell’atmosfera terrestre.


Ossido di grafene e nucleazione del ghiaccio nell'atmosfera
Fig. 1. Microscopia dei fogli di ossido di grafene-grafene utilizzati nello studio di (Joghataei, M .; Ostovari, F .; Atabakhsh, S .; Tobeiha, N. 2020)

Come indicato nell’articolo, “più del 50% delle precipitazioni piovose sulla Terra ha origine nella fase di ghiaccio, e le particelle che possono fungere da nuclei di ghiaccio (IN) sono essenziali nella microfisica delle nuvole e delle precipitazioni.

Inoltre, al giorno d’oggi gli esseri umani cercano di modificare nuvole per aumentare le loro risorse idriche, e in questo contesto sono desiderati aerosol artificiali che contribuiscono alla microfisica delle nuvole nel cloud seeding.
Pertanto, le interazioni aerosol-nuvola e, di conseguenza, i suoi effetti sul tempo, sul clima e sui cambiamenti climatici sono tra i principali problemi ambientali”

Ciò conferma ancora una volta che l’inseminazione delle nuvole e la loro modifica tramite iniezioni di aerosol sono ormai procedimenti comuni per massimizzare le precipitazioni e quindi modificare il clima. 

Il processo di formazione dei cristalli di ghiaccio nell’atmosfera è perfettamente spiegato nei dettagli : “la nucleazione di ghiaccio eterogeneo richiede generalmente che un AP (particella di aerosol) insolubile serva da IN (nucleo di ghiaccio) che avvia la fase di ghiaccio attraverso la deposizione diretta di vapore acqueo, congelamento tramite mezzo acquoso e per contatto, immersione o condensazione di specifiche PA”.

In questo caso, l’elemento che funge da particella di aerosol AP sono le nanoparticelle di grafene ossido-grafene “GGON”.


Ossido di grafene e nucleazione del ghiaccio nell'atmosfera
Fig 2 : Formazione di cristalli di ghiaccio da nanoparticelle GGON nella riga a). Nella riga b) si osserva ioduro d’argento “Agl” e nella riga c) polvere di caolinite. (Joghataei, M .; Ostovari, F .; Atabakhsh, S .; Tobeiha, N. 2020)

I ricercatori sottolineano che l’ossido di grafene sotto forma di GGON ha caratteristiche ideali per la nucleazione del ghiaccio, grazie alle sue strutture bidimensionali e alle proprietà termiche e meccaniche, come hanno dimostrato nel loro esperimento, con risultati migliori rispetto ad altri materiali comunemente usati per la semina delle nuvole di ghiaccio, cioè “ioduro d’argento” e “polvere di caolinite“.

Secondo gli autori, “sebbene il grafene G sia idrofobo, l’ossido di grafene GO è invece idrofilo, e l’esistenza di queste due proprietà affiancate fornisce lo sfondo ideale per la nucleazione del ghiaccio“.

Un altro fattore che favorisce la nucleazione del ghiaccio è l’assenza o la bassa quantità di carbonio organico nel materiale, che influenza positivamente la cristallizzazione. 

Altri studi confermano i risultati qui descritti.

Ad esempio (Xue, H.; Lu, Y.; Geng, H.; Dong, B.; Wu, S.; Fan, Q.; Wang, J. 2019) affermano che la densità dei “gruppi idrossilici“, noti anche come HOPG (Highly oriented pyrolytic graphite, high oriented pyrolytic graphite), tra cui il grafene, aumentano l’attività di nucleazione del ghiaccio.

Inoltre portano anche altre affermazioni molto rilevanti sull’importanza della formazione del ghiaccio nell’atmosfera : “la formazione dei cristalli di ghiaccio è cruciale nella scienza dell’atmosfera.
A
d esempio, i cristalli di ghiaccio forniscono un mezzo per lo scambio di molecole e particelle atmosferiche all’interno dell’ecosistema.
Inoltre i
cristalli di ghiaccio fungono anche da ospite reattivo che influenza la concentrazione di ozono nella stratosfera
“.

D’altra parte, “fogli di grafene meno ossidati possono nuclearizzare il ghiaccio in modo più efficiente“, una proietà confermata anche da (Häusler, T.; Gebhardt , P .; Iglesias, D .; Rameshan, C .; Marchesan, S .; Eder, D .; Grothe, H. 2018 | Whale, TF; Rosillo-López, M .; Murray, BJ; Salzmann, CG 2015).

Riflessioni finali

La nucleazione del ghiaccio nell’atmosfera è  una costante nella ricerca sul clima, con lo scopo di controllare le precipitazioni, le temperature ed infine le risorse idriche, sempre più necessarie.

Lo ioduro d’argento e la caolinite stanno lasciando il posto all’uso di nanomateriali 2D come l’ossido di grafene,  più produttivi nella formazione di nanocristalli di ghiaccio.

I test effettuati da (Joghataei, M .; Ostovari, F .; Atabakhsh, S .; Tobeiha, N. 2020) in una camera a nebbia che simula condizioni di aerosol nell’atmosfera a -20ºC sono simili alle condizioni che possono essere trovate sulla troposfera a circa 7-8 km di altezza.

All’altezza alla quale volano abitualmente gli aerei commerciali, circa 10 km (ai limiti della troposfera con la tropopausa), la temperatura può raggiungere i -60ºC.

Questi dettagli sono importanti poiché “i cristalli di ghiaccio formati nella troposfera superiore e nella stratosfera inferiore (troposfera superiore UT / stratosfera inferiore LS) possono sedimentare, portando alla rimozione dell’acqua e causando la disidratazione della troposfera superiore UT.

Ciò ha conseguenze sulla distribuzione del vapore acqueo e quindi sul bilancio radiativo considerando che il vapore acqueo è il gas serra più forte.

Le particelle di ghiaccio nella tropopausa controllano il trasporto dell’acqua nella stratosfera inferiore di LS, che influenza la composizione chimica stratosferica.
Le superfici dei cristalli di ghiaccio possono fungere da superfici eterogenee per reazioni di riduzione dell’ozono e agire come pozzi per HNO3 (acido nitrico).

In altre parole, se è vero che l’ossido di grafene GO viene iniettato ad un’altezza compresa tra 7 e 10 km (alta troposfera e tropopausa), verso cui solitamente volano gli aerei commerciali, non solo genera nucleazione di ghiaccio, ma provoca anche la distruzione di l’ozono e la disidratazione dell’alta troposfera.

A questi gravi problemi bisogna aggiungere anche la ben nota tossicità e gli effetti negativi del grafene sull’organismo.

Quindi se è vero che le irrorazioni di ossido di grafene sono già effettuate nella troposfera, potrebbero perseguire diversi obiettivi : a) la formazione e l’inseminazione di nubi; b) precipitazione e captazione delle risorse idriche; c) modificazione climatica/geoingegneria.

Infatti (Liang, H.; Möhler, O.; Griffiths, S.; Zou, L. 2019) nel loro studio concludono in questo modo : “osservando la nucleazione del ghiaccio nei composti PrGO-SN (ossido di grafene poroso e biossido di silice) sotto E-SEM (Scanning Electron Microscope), abbiamo scoperto che il composto poroso di PrGO-SN ha dimostrato l’inizio della nucleazione del ghiaccio a una temperatura più elevata ( -8ºC), nonché una rapida e continua crescita di cristalli di ghiaccio.

Questi risultati consolidano una maggiore comprensione dei fattori che influenzano il processo di nucleazione del ghiaccio eterogeneo e fanno luce sulla progettazione e la fabbricazione di materiali funzionali efficienti per la nucleazione del ghiaccio poroso per molte applicazioni pratiche, come il miglioramento della pioggia e la formazione di nuvole attraverso operazioni di cloud seeding”.

Quest’ultima affermazione mostra chiaramente che c’è l’intenzione e la volontà di migliorare le precipitazioni attraverso il metodo di nucleazione del ghiaccio con ossido di grafene GO e persino misurarle con droni appositamente preparati per il caso (Bieber, P.; Seifried, TM; Burkart, J.; Gratzl, J .; Kasper-Giebl, A .; Schmale, DG; Grothe, H. 2020).

Pertanto, non sorprende che appaiano analisi indipendenti in cui si trovano nanofogli di ossido di grafene nell’acqua piovana.

Bibliografia

1.Bieber, P.; Seifried, TM; Burkart, J.; Gratzl, J.; Kasper-Giebl, A.; Schmale, DG; Grothe, H. (2020). Un sistema di campionamento di bioaerosol basato su droni per monitorare le particelle di nucleazione del ghiaccio nella bassa atmosfera. = A drone-based bioaerosol sampling system to monitor ice nucleation particles in the lower atmosphere. Remote Sensing, 12 (3), 552.  https://doi.org/10.3390/rs12030552

2.Häusler, T.; Gebhardt, P.; Iglesias, D.; Rameshan, C.; Marchesano, S.; Eder, D.; Grothe, H. (2018). Attività di nucleazione del ghiaccio del grafene e degli ossidi di grafene =  Ice nucleation activity of graphene and graphene oxides. The Journal of Physical Chemistry. 122 (15), pp. 8182-8190. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b10675

3.Knopf, DA; Alpert, PA; Wang, B. (2018). Il ruolo dell’aerosol organico nella nucleazione del ghiaccio atmosferico : una rassegna. = The role of organic aerosol in atmospheric ice nucleation: a review. ACS Earth and Space Chemistry, 2 (3), pp. 168-202. https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.7b00120

4.Li, JM; Chang, PH; Li, L.; Teo, CJ; Koo, a.C.; Duan, H.; Mai, VC (2018). Applicazione dell’ossido di grafene nel getto A-1 nell’aria per migliorare il processo di combustione. = Application of Graphene Oxide in Jet A-1 in Air to Enhance Combustion Process. En 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting. pp. 133. https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2018-0133

5.Liang, H.; Möhler, O.; Griffiths, S.; Zou, L. (2019). Aumento della nucleazione e crescita del ghiaccio da parte di un composto poroso di nanoparticelle di silice idrofila e RGO = Enhanced Ice Nucleation and Growth by Porous Composite of RGO and Hydrophilic Silica Nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C, 124 (1), pp. 677-685.   https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b09749

6.Whale, TF; Rosillo-López, M.; Murray, BJ; Salzmann, CG (2015). Proprietà di nucleazione del ghiaccio dei nanomateriali di carbonio ossidato = Ice Nucleation Properties of Oxidized Carbon Nanomaterials. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b01096

7.Xue, H.; Lu, Y.; Geng, H.; Dong, B.; Wu, S.; Fan, Q.; Wang, J. (2019). I gruppi idrossilici sulle superfici del grafene facilitano la nucleazione del ghiaccio.= Hydroxyl Groups on the Graphene Surfaces Facilitate Ice Nucleation. The journal of physical chemistry letters, 10 (10), pp. 2458-2462. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b01033

8.Zabarnick, S.; DeWitt, MJ; Striebich, RC; Gunasekera, TS; Ervin, JS; Brioni, AM; Harruff Miller, BA (2016). Combustibili e tecnologie di combustione per la propulsione aerospaziale = Catalytic routes for the conversion of lignocellulosic biomass to aviation fuel range hydrocarbons. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 120, 109612.  https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109612

Studio originale in lingua spagnola : El óxido de grafeno infiere en la nucleación del hielo en la atmósfera

Traduzione in italiano a cura di Veronica Baker


BannerVeronica 1


You cannot copy content of this page