Nuovi materiali, la ricerca parte dal computer

Catturare l’anidride carbonica (CO2) direttamente dall’aria, recuperare acqua dall’umidità atmosferica, sviluppare catalizzatori per rendere più efficienti i processi di idrogenazione, utilizzati nella produzione di farmaci e di numerosi prodotti industriali. Tre obiettivi diversi che richiedono materiali con proprietà particolari. La difficoltà è trovare quelli giusti tra le innumerevoli combinazioni chimiche possibili, un processo che può richiedere anni di ricerca e sperimentazione.

A lavorare su questo problema è Laura Gagliardi, titolare della cattedra Richard e Kathy Leventhal di Chimica e Ingegneria molecolare all’Università di Chicago, premiata con l’Eni Award 2026 nella categoria Frontiere dell’Energia. La scienziata ha sviluppato metodi computazionali avanzati che permettono di prevedere le proprietà di nuovi materiali prima ancora di produrli in laboratorio.

La sua ricerca si basa sulla meccanica quantistica, la teoria che descrive il comportamento di atomi ed elettroni. Attraverso modelli matematici e simulazioni numeriche, Gagliardi studia come le loro interazioni determinano le caratteristiche dei materiali. In questo modo, la chimica computazionale non serve soltanto a spiegare i risultati degli esperimenti, ma anche a orientare la progettazione di nuovi materiali.

L’integrazione con l’apprendimento automatico, una tecnica di intelligenza artificiale capace di individuare relazioni nei dati, consente di analizzare numerose combinazioni e selezionare quelle con le caratteristiche più adatte alle applicazioni desiderate. I ricercatori possono così concentrare le verifiche sperimentali sulle soluzioni individuate, abbreviando i tempi della ricerca.

Al centro degli studi ci sono soprattutto i materiali reticolari, costituiti da strutture molecolari collegate tra loro in reti ordinate. Alcuni, come le strutture metallo-organiche (MOF) e quelle organiche covalenti (COF), possiedono minuscoli spazi interni, chiamati pori, le cui dimensioni e proprietà chimiche possono essere modificate per interagire con molecole specifiche. È questa caratteristica a renderli interessanti per applicazioni energetiche e ambientali.

Una delle principali riguarda la cattura della CO2 direttamente dall’atmosfera. L’anidride carbonica è presente nell’aria in concentrazioni molto basse, una condizione che ne rende difficile la separazione dagli altri gas. Materiali dotati di pori opportunamente progettati possono trattenere le molecole di CO2, separandole dagli altri componenti dell’aria. L’obiettivo è ottenere strutture capaci di catturare il gas selettivamente e rilasciarlo quando necessario, limitando il consumo energetico del processo.

Lo stesso principio può essere utilizzato per recuperare acqua dall’atmosfera. Anche dove le risorse idriche sono scarse, l’aria contiene una certa quantità di vapore acqueo. Materiali capaci di assorbire questa umidità e rilasciarla in condizioni controllate potrebbero contribuire allo sviluppo di sistemi per la produzione di acqua. Le simulazioni aiutano a individuare le caratteristiche che favoriscono la cattura e il rilascio del vapore, anche in condizioni di bassa umidità.

Un terzo ambito di ricerca riguarda la catalisi, che permette di accelerare le trasformazioni chimiche attraverso l’impiego di materiali che non vengono consumati durante il processo. Nel caso dell’idrogenazione, l’aggiunta di idrogeno consente di trasformare determinate sostanze in nuovi composti. Studiando come l’H2 interagisce con i catalizzatori, Gagliardi punta a progettare materiali più efficaci, capaci di ridurre i consumi energetici e limitare la formazione di sottoprodotti indesiderati.

Nata e cresciuta in Italia, Laura Gagliardi ha conseguito il dottorato in Chimica teorica all’Università di Bologna nel 1997. Dopo esperienze di ricerca a Cambridge, Palermo e Ginevra, nel 2009 si è trasferita all’Università del Minnesota. Dal 2020 è titolare della cattedra Richard e Kathy Leventhal di Chimica e Ingegneria molecolare all’Università di Chicago. Membro dell’Accademia nazionale dei Lincei e dell’Accademia nazionale delle Scienze degli Stati Uniti, ha ricevuto la Medaglia Pauling nel 2023 e la Medaglia Schrödinger nel 2026. È inoltre caporedattrice del Journal of Chemical Theory and Computation dell’American Chemical Society.