- MOF mají světový rekord vnitřního povrchu až asi 7 000 m^2 na gram, s teoretickými návrhy až 14 600 m^2/g.
- Za přibližně 20 let vědci vytvořili téměř 90 000 unikátních struktur MOF, přičemž teorie předpovídá stovky tisíc dalších.
- MOF jsou porézní krystalické sítě tvořené z kovových uzlů a organických spojek, které vytvářejí laditelnou 3D mřížku fungující jako molekulární houba.
- CALF-20, MOF na bázi zinku, může za průmyslových podmínek pojmout asi jednu tunu CO2 denně na jeden kubický metr.
- ZnH-MFU-4l je průlomový MOF pro zachytávání CO2 při vysokých teplotách, který selektivně váže CO2 z horkých spalin při asi 300 °C a zachytí více než 90 procent CO2.
- DCF-1, uvedený společností Decarbontek v polovině roku 2025, je levný MOF vyrobený z oxidu zinečnatého a kyseliny citronové, jehož cena se při plném provozu odhaduje na asi 10 dolarů za kilogram.
- Společnost Svante testuje systém sorbentu MOF CALF-20 v cementárně, který je schopen zachytit asi 1 tunu CO2 denně.
- MOF-303, hliníkový MOF pro získávání vody, umožnil v roce 2023 v Death Valley ruční sklizeč, který získal asi 85–90 % adsorbované vody, což představuje až 285 gramů na kilogram za den.
- Projekt EU MOST-H2, zahájený v roce 2022, využívá AI k výběru MOF pro skladování vodíku; do roku 2025 hlásil pokrok s více než 10 000 prověřenými strukturami a prototypy splňujícími cíle DOE při kryogenních podmínkách.
- MIL-101(Cr) lze rozšířit póry z asi 2,5 nm na 5 nm pomocí ošetření kyselinou octovou, což umožňuje vyšší naložení ibuprofenu a 5-fluorouracilu a rychlejší uvolňování.
Zásadní změna v pokročilých materiálech a udržitelnosti
Představte si materiál s tak obrovským vnitřním povrchem, že špetka tohoto materiálu obsahuje ekvivalent šesti fotbalových hřišť plochy news.berkeley.edu. Takové metal-organické sítě (MOF) jsou porézní, krystalické sloučeniny tvořené kovovými uzly propojenými organickými spojkami, které vytvářejí na molekulární úrovni síť podobnou houbě. Vědci označují MOF za materiály s „zdánlivě neomezenými možnostmi“ pro vytváření struktur na míru s požadovanými vlastnostmi cas.org. Za posledních 20 let výzkum MOF explodoval – bylo vytvořeno téměř 90 000 unikátních struktur MOF (a teoreticky je předpovídáno ještě několik set tisíc dalších) cas.org. Tento rozmach je poháněn příslibem, že MOF mohou řešit zásadní výzvy v oblasti udržitelnosti a technologií. Od zachycování oxidu uhličitého ohřívajícího klima a ukládání čistého vodíkového paliva až po doručování léků a získávání vody ze vzduchu v poušti – MOF jsou připraveny přinést průlomové objevy v oblastech od energetiky a životního prostředí po biomedicínu cas.orgcas.org. V této zprávě vysvětlujeme co jsou MOF, jak fungují a jak se vyrábějí, a proč jsou považovány za revoluční. Prozkoumáme hlavní aplikace – včetně zachycování uhlíku, ukládání vodíku, doručování léků, senzorů a získávání vody – a zdůrazníme nedávné vědecké průlomy, reálné nasazení a pohledy odborníků. Prozkoumáním globálního prostředí (USA, EU, Čína a další) a nejnovějších pokroků uvidíme, proč jsou MOF považovány za materiály měnící pravidla hry pro udržitelnější budoucnost.
Co jsou MOF? Porézní krystaly s rekordními povrchy
Kovově-organické sítě (MOF) jsou neobvyklou třídou materiálů, které jsou sestaveny jako molekulární stavebnice Tinkertoys. Skládají se z kovových iontů nebo klastrů, které fungují jako uzly, propojené organickými molekulami (ligandy) jako vzpěrami. Tyto komponenty se samy skládají do otevřené, klecové krystalové mřížky – v podstatě vytvářejí 3D porézní síť, kterou drží pohromadě koordinační vazby cas.org. Výsledkem je krystalická houba: MOF mají extrémně vysokou poréznost a povrchovou plochu, což znamená, že jejich vnitřek je plný drobných dutin a kanálků, do kterých mohou vstupovat jiné molekuly. Ve skutečnosti MOF drží světový rekord v povrchové ploše materiálu – některé nabízejí až ~7 000 m^2 na gram, s teoretickými návrhy až 14 600 m^2/g cas.org. Pro představu, pouhá polévková lžíce běžného MOF může mít vnitřní plochu o velikosti několika fotbalových hřišť, což poskytuje dostatek prostoru pro adsorpci plynů nebo jiných molekul news.berkeley.edu.
Tato obrovská vnitřní plocha a laditelná struktura pórů jsou tím, co dělá MOF tak výjimečnými. Výměnou kovových uzlů nebo organických spojek mohou chemici vytvářet různé MOF s upravenou velikostí, tvarem a chemickými vlastnostmi pórů cas.org. Možná je téměř jakákoli kombinace – jeden z průkopníků oboru, profesor Omar Yaghi (který MOF poprvé syntetizoval v 90. letech), poznamenal, že byly vytvořeny desítky tisíc MOF a „stovky tisíc dalších“ jsou předpovídány algoritmy cas.org. Tato modulární „retikulární“ strategie návrhu znamená, že vědci mohou v podstatě navrhovat materiály na zakázku: například MOF může být navržen tak, aby preferoval zachycování molekul CO₂, nebo aby zářil v přítomnosti toxinu, jednoduše volbou vhodných stavebních bloků. Druhou stranou této rozmanitosti je výzva – při tolika možných strukturách je těžké předpovědět, který MOF bude pro daný úkol nejlepší cas.org. (Výzkumníci proto stále více využívají AI a strojové učení k procházení databází MOF a navrhování nejperspektivnějších kandidátů, k čemuž se ještě vrátíme cas.org.)
Shrnuto, MOF je jako ultra-jemná houba nebo lešení v nanoměřítku. Je tvořen anorganickými a organickými částmi uzamčenými do opakovatelné mřížky, což vede k pevnému materiálu, který je z větší části prázdný prostor. Tyto prázdné póry mohou pojmout hostitelské molekuly. Klíčové je, že MOFy obvykle zůstávají pevné i poté, co jsou jejich původní „hosté“ – rozpouštědla – odstraněni; prázdný rámec zůstává neporušený a porézní, připravený adsorbovat nové molekuly a uvolnit je za správných podmínek en.wikipedia.org. Tato reverzibilní absorpce a uvolňování je klíčová pro aplikace od skladování plynů po dodávání léčiv. Jak vysvětluje Dr. Kurtis Carsch, chemik z UC Berkeley: „Díky své jedinečné struktuře mají MOFy vysokou hustotu míst, kde můžete zachytit a uvolnit CO₂ za vhodných podmínek“ news.berkeley.edu – nebo obdobně zachytit a uvolnit jiné molekuly. V podstatě MOFy nabízejí bezprecedentní kombinaci vysoké kapacity (díky obrovskému povrchu), nastavitelnosti (chemickým návrhem) a reverzibility, což z nich činí silnou platformu v materiálové vědě.
Jak se MOFy vyrábějí a jak fungují?
Syntéza MOFu je často jednodušší, než by jeho složitá struktura napovídala. Typicky vědci rozpustí zdroj kovu (například kovovou sůl) a organickou spojovací molekulu v rozpouštědle, poté podpoří tvorbu krystalů pomalým mícháním, zahříváním nebo odpařováním. Kovové ionty a spojky se spontánně koordinují a krystalizují do uspořádané struktury – MOF krystal roste podobně jako se z cukerného roztoku vysráží krystal skleněného cukru, ale v molekulárním měřítku. Mnoho MOFů se vyrábí solvotermálními metodami (zahřívání složek v uzavřené nádobě), novější techniky zahrnují mikrovlnnou syntézu, sušení rozprašováním a dokonce i mechanochemické mletí bez rozpouštědla. Pozoruhodné je, že MOFy se často mohou samy sestavit za poměrně mírných podmínek. Například nedávno vyvinutý MOF pro zachytávání uhlíku s názvem DCF-1 se syntetizuje jednoduše smícháním oxidu zinečnatého s kyselinou citronovou ve vodě – „bezpečná, udržitelná a patentovaná metoda“, která poskytuje vysoce výkonný MOF levně businesswire.com. To ukazuje, jak vědci zlepšují výrobní metody, aby snížili náklady a vyhnuli se agresivním chemikáliím. Krystaly MOF mohou mít velikost od nanometrů po milimetry a obvykle se zpracovávají na prášky nebo formují do pelet a membrán pro praktické použití.
Jak MOFy fungují se odvíjí od adsorpce a selektivity. Jejich póry fungují jako malé úložné skříňky nebo pasti na molekuly. Když je MOF vystaven plynu nebo kapalině, cílové molekuly mohou vstoupit do pórů a přichytit se na vnitřní povrchy (prostřednictvím van der Waalsových sil, chemických interakcí na specifických místech atd.). Protože MOFy mají obrovskou vnitřní plochu a často chemické skupiny, které vážou určité molekuly, dokážou absorbovat ohromující množství. Například jeden MOF (CALF-20, rámec na bázi zinku) může za průmyslových podmínek pojmout asi jednu tunu CO₂ za den na metr krychlový materiálu businesswire.com – v podstatě funguje jako obří houba na oxid uhličitý. Přesto je adsorpce obvykle reverzibilní: změnou podmínek (zahřátím MOFu, snížením tlaku nebo propláchnutím jiným plynem) se zachycené molekuly uvolní (desorbují) a MOF je regenerován pro další cyklus news.berkeley.edu. Tento cyklický proces zachycení a uvolnění je zásadní pro aplikace jako je zachytávání uhlíku nebo skladování plynů, kde je potřeba MOF opakovaně používat. V příkladu zachytávání CO₂, jakmile je MOF nasycen CO₂, „CO₂ lze odstranit snížením jeho parciálního tlaku – buď propláchnutím jiným plynem, nebo vytvořením vakua. MOF je pak připraven k opětovnému použití v dalším adsorpčním cyklu“ news.berkeley.edu.
Vnitřní chemii každého MOFu lze upravit tak, aby upřednostňoval určité molekuly před jinými, což z nich činí vysoce selektivní materiály. Některé MOFy mají v pórech otevřená kovová místa nebo funkční skupiny, které fungují jako háčky na specifické plyny. Jiné jsou dekorovány molekulami (například aminy nebo měděnými místy), které reagují s cílem (například CO₂). Tato nastavitelnost je velkou výhodou – na rozdíl od tradičních porézních materiálů (např. aktivní uhlí nebo zeolity), které mají pevné vlastnosti, lze MOFy navrhnout na míru. „Jejich nastavitelné vlastnosti jsou klíčovým faktorem,“ uvádí zpráva CAS Insights, „vysoký specifický povrch a porozita v kombinaci s nastavitelnou chemií dávají MOFům schopnost adsorbovat plyny a těkavé sloučeniny, což vzbuzuje obrovský zájem v oblasti separace a skladování plynů, zejména CO₂“ cas.org. Stručně řečeno, MOFy fungují tak, že selektivně zachycují molekuly ve svých nanoporézních pórech – podobně jako síto nebo filtr tvořený molekulami – a později mohou náklad uvolnit po spuštění určitého podnětu. Tento jednoduchý koncept je základem rozmanitých využití, o kterých budeme mluvit, od odstraňování CO₂ ze spalin, přes hustší skladování vodíkového paliva, až po přenos léčivých molekul v krevním oběhu.
Hlavní aplikace MOFů
Jedinečné schopnosti MOFů podobné houbě je činí užitečnými v překvapivě široké škále aplikací. Níže zkoumáme některé z nejvýznamnějších využití, která jsou dnes sledována – spolu s nedávnými průlomy a příklady v každé oblasti.
Zachycování uhlíku a zmírňování změny klimatu
Jednou z nejnaléhavějších aplikací MOFů je zachycování oxidu uhličitého z kouřových plynů elektráren nebo dokonce přímo ze vzduchu. Snížení emisí CO₂ je klíčové pro boj se změnou klimatu a MOFy se objevují jako „jedny z nejslibnějších materiálů pro zachycování uhlíku“, protože dokážou absorbovat CO₂ s vyšší účinností a nižšími energetickými náklady než konvenční metody ccarbon.info. Tradiční technologie zachycování uhlíku používá kapalné aminy k vázání CO₂, ale aminy jsou korozivní, energeticky náročné na regeneraci a obvykle fungují pouze při relativně nízkých teplotách (kolem 40–60 °C). Mnohé průmyslové kouřové plyny jsou však mnohem teplejší (odpadní plyny z cementáren a oceláren mohou přesáhnout 200–300 °C), což činí zachycování uhlíku obtížným a nákladným, protože plyny je nejprve nutné ochladit news.berkeley.edu. MOFy nabízejí potenciální průlom: lze je navrhnout tak, aby zachycovaly CO₂ i za náročných podmínek a poté jej uvolnily při mírném zahřátí nebo změně tlaku, při celkově mnohem nižší spotřebě energie než amoniakové pračky ccarbon.info.
Koncem roku 2024 chemici z UC Berkeley oznámili průlomový MOF, který dokáže zachytávat CO₂ z horkých spalin bez předchozího ochlazení. Materiál, známý jako ZnH-MFU-4l, obsahuje ve svých pórech zinkové hydridové centra, která silně vážou CO₂ i při vysokých teplotách. „Zjistili jsme, že MOF může zachytávat oxid uhličitý při bezprecedentně vysokých teplotách – teplotách relevantních pro mnoho procesů produkujících CO₂,“ uvedl Dr. Kurtis Carsch, jeden z hlavních autorů studie. „To bylo dříve považováno za nemožné u porézních materiálů.“ news.berkeley.edu Za simulovaných podmínek výfukových plynů byl tento MOF schopen selektivně zachytit CO₂ při ~300 °C (typická teplota spalin z cementáren/oceláren) a zachytit více než 90 % CO₂ v proudu („hluboké zachycování uhlíku“), což se vyrovná výkonu kapalných aminů news.berkeley.edu. Takto vysokoteplotní provoz eliminuje potřebu vynakládat energii a vodu na ochlazování emisí news.berkeley.edu, což by mohlo umožnit zachycování uhlíku v „obtížně dekarbonizovatelných“ odvětvích, jako je výroba oceli a cementu. „Protože entropie s rostoucí teplotou stále více upřednostňuje molekuly jako CO₂ v plynné fázi, obecně se mělo za to, že je nemožné takové molekuly zachytit porézními pevnými látkami při teplotách nad 200 °C,“ poznamenal profesor Jeffrey Long, který výzkum vedl. „Tato práce ukazuje, že se správnou funkcionalitou… lze skutečně dosáhnout vysokokapacitního zachycování CO₂ i při 300 °C.“ news.berkeley.edu Tento objev otevírá novou cestu návrhu (využití kovových hydridových center v MOF) pro materiály nové generace pro zachycování uhlíku news.berkeley.edu.
MOF září také v konvenčnějších rolích zachycování CO₂. Zájem startupů a firem prudce vzrostl: ExxonMobil si podal patenty na technologie MOF pro zachycování uhlíku cas.org, a výzkumníci z KAUST v Saúdské Arábii si patentovali MOF pro zachycování CO₂ a separaci plynů cas.org. Řada startupů závodí o komercializaci filtrů na bázi MOF pro CO₂. Například Nuada (startup se sídlem v EU) zkoumá MOF systémy, které mají pomoci výrobcům cementu zachytit CO₂ ze spalin cas.org. Další společnost, Mosaic Materials, vyvinula aminoskupinami funkční MOF pro zachycování CO₂, který byl natolik slibný, že ji v roce 2022 koupila energetická technologická společnost Baker Hughes za účelem rozšíření výroby news.berkeley.edu. MOF od Mosaic je testován v pilotních projektech jako alternativa k kapalným aminům a dokonce i pro přímé zachycování CO₂ ze vzduchu news.berkeley.edu.Právě v polovině roku 2025 společnost Decarbontek, Inc. oznámila, že komerčně vyrábí MOF adsorbent pro zachycování uhlíku. Společnost uvedla na trh DCF-1 (De-Carbon Framework-1), který označuje jako „průlomový, nízkonákladový, vysoce výkonný MOF navržený pro škálovatelné zachycování uhlíku“, nyní dostupný po kilogramech ccarbon.info. „Uvedením DCF-1 nastavujeme nový standard pro materiály na zachycování uhlíku,“ uvedl Dr. Yong Ding, generální ředitel Decarbontek. „Je nákladově efektivní, snadno vyrobitelný a vysoce účinný – což zpřístupňuje zachycování uhlíku napříč průmysly.“ businesswire.com DCF-1 lze vyrobit levně (za použití běžného oxidu zinečnatého a kyseliny citronové) a cílem je cena pouze asi 10 $ za kg při plném rozsahu výroby, „srovnatelná s běžnými molekulárními síty“, podle Dinga businesswire.com. To je významné, protože MOF byly dlouho považovány za příliš drahé pro hromadné použití; levný, snadno vyrobitelný MOF by mohl odstranit hlavní překážku adopce ccarbon.info. Materiál údajně kombinuje vysokou absorpci CO₂ s netoxickým, vodním výrobním procesem, ideálním pro dodatečnou instalaci do továren nebo dokonce pro zachycování CO₂ ze vzduchu businesswire.com. Produkt společnosti Decarbontek a další podobné ukazují, jak se technologie MOF v oblasti zachycování uhlíku přesouvá z laboratoře na trh.
Snad nejhmatatelnějším znakem pokroku jsou pilotní projekty: Svante, kanadská společnost, používá MOF sorbent (CALF-20, vyráběný firmou BASF) v demonstračním systému, který zachycuje přibližně 1 tunu CO₂ denně ze spalin cementárny businesswire.com. Tento test v reálném provozu ukazuje, že MOFy zvládnou průmyslové plynové proudy a skutečně fungují v terénních podmínkách. Takový vývoj naznačuje, že MOFy by brzy mohly hrát klíčovou roli v globálním úsilí o zachytávání, využívání a ukládání uhlíku (CCUS), a pomoci průmyslu snížit emise CO₂. Vzhledem k tomu, že zachytávání uhlíku je zásadní pro zmírnění změny klimatu (zejména v odvětvích, která nelze snadno elektrifikovat), jsou MOFy široce považovány za průlomový „zázračný materiál“ pro dekarbonizaci news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Díky vyšší účinnosti a nižším energetickým ztrátám by zachytávání uhlíku pomocí MOF mohlo umožnit širší zavádění CCUS – což je důležitý most k budoucnosti s nulovými emisemi, zatímco se rozšiřují obnovitelné zdroje energie. Stručně řečeno, MOFy poskytují mocnou novou sadu nástrojů pro zvládání CO₂, od továrních komínů až po volné ovzduší, což je důvod, proč tato aplikační oblast zůstává nejžhavějším tématem výzkumu a komercializace MOF.
Ukládání vodíku a čistá energie
Pokud MOFy mohou pomoci odstranit uhlík ze současných energetických systémů, jsou také připraveny umožnit v budoucnu nosiče čisté energie, jako je vodík. Vodík (H₂) je slibné bezuhlíkové palivo (při spalování vzniká pouze voda), ale efektivní skladování vodíku je velkou výzvou – H₂ je velmi řídký plyn a jeho stlačování nebo zkapalňování je energeticky náročné a vyžaduje těžké nádrže. MOFy nabízejí způsob, jak skladovat vodík v kompaktní a bezpečné formě pomocí adsorpce. V podstatě lze vodíkový plyn „naložit“ do pórů MOF ve vysoké hustotě (zejména při nižších teplotách), podobně jako vejce do plata, a poté jej uvolnit, když je potřeba. Ministerstvo energetiky USA a další stanovily cíle pro materiály pro skladování vodíku (co se týče hmotnostního procenta a objemu uloženého H₂) a některé MOFy se těmto cílům při kryogenních teplotách přiblížily nebo je dokonce překonaly.
V Evropě probíhá koordinované úsilí využít MOF pro skladování vodíku. Projekt MOST-H2 financovaný EU (zahájený v roce 2022) vyvíjí systémy kryoadsorpčního skladování vodíku využívající pokročilé MOF cordis.europa.eu. Při kryoadsorpci je vodík ochlazován (typicky na teplotu kapalného dusíku, ~77 K) a adsorbován na porézní materiál, čímž je dosaženo vysoké hustoty bez extrémních tlaků. „Tajnou zbraní projektu je speciální třída porézních krystalických materiálů zvaných MOF,“ které tvarují do monolitických MOF adsorbentů s optimální kombinací objemové a gravimetrické kapacity cordis.europa.eu. Do roku 2025 výzkumníci MOST-H2 oznámili „významný pokrok“ – spojili AI řízený screening s experimenty a identifikovali nové MOF sloučeniny, které překračují všeobecně uznávané cíle jak pro gravimetrickou, tak objemovou kapacitu skladování vodíku cordis.europa.eu. Tyto průlomy byly zajištěny prostřednictvím patentových přihlášek cordis.europa.eu, což podtrhuje jejich novost. V praxi mohou prototypy MOF týmu skladovat vodík v husté formě za kryogenních podmínek, v materiálech, které jsou snadno a bezpečně manipulovatelné (nevyžadují extrémně vysoké tlaky) a mají „velmi malou environmentální stopu“ cordis.europa.eu. Konečným cílem je integrovat tyto MOF do kompletního řešení „od laboratoře k nádrži“ pro skladování vodíku pro aplikace jako jsou vozidla poháněná vodíkem (projekt zkoumá případové studie pro vlaky na vodíkový pohon v Rakousku a Itálii) cordis.europa.eu.Jedním z pozoruhodných aspektů tohoto úsilí je využití strojového učení k urychlení objevování. Projekt MOST-H2 vyvinul AI nástroj pro předpověď, které struktury MOF by byly optimální pro ukládání vodíku, čímž vytvořil „robustní databázi vysoce výkonných materiálů“ a ukázal, jak mohou výpočetní metody změnit vývoj MOF cordis.europa.eu. Virtuálním prověřením více než 10 000 struktur MOF a následným testováním nejlepších kandidátů v laboratoři byl tým schopen identifikovat několik špičkových materiálů, které ihned patentoval cordis.europa.eu. Tento přístup výrazně snižuje množství pokusů a omylů, které jsou obvykle potřeba ve výzkumu a vývoji materiálů. Výsledkem je, že MOF projektu směřují k dosažení nebo překročení přísných cílů pro skladování, které jsou nutné pro praktické palivové nádrže, a to vše při zachování nákladové efektivity a stability během mnoha cyklů cordis.europa.eu. Návrh nádrže na bázi MOF je také optimalizován pomocí pokročilého modelování přenosu tepla a hmoty a analýzy životního cyklu, aby bylo zajištěno, že jej bude možné škálovat a integrovat do skutečných vozidel cordis.europa.eu.
Kromě tohoto projektu jiní vědci prokázali, že MOF jsou schopné pozoruhodného ukládání vodíku. Například MOF-74 (známý rámec) může absorbovat více vodíku než jakákoli neztlakovaná nádrž při 77 K, což ukazuje potenciál MOF odstranit úzké hrdlo ve skladování vodíku innovations-report.com. Obecnou strategií je provozovat blízko kryogenních teplot – což může znít energeticky náročně, ale techniky jako chytrá izolace nebo využití „bezplatného“ chlazení z odpařování kapalného vodíku to mohou učinit životaschopným. Výsledkem by byly lehká, vysoce kapacitní vodíková nádrže pro vozidla na palivové články, autobusy nebo letadla, které nevyžadují 700barovou kompresi ani extrémně těžké nádoby. Takové nádrže by mohly být „pevné“ vodíkové baterie, kde granule MOF bezpečně uchovávají vodík při mírném tlaku. Vědci také zkoumají MOF pro skladování vodíku při pokojové teplotě, i když zatím žádný materiál nesplňuje všechny cíle DOE za běžných podmínek.
Shrnuto, MOF jsou v čele řešení problému skladování vodíku. Chovají se jako nano-houby, které hustě balí molekuly vodíku adsorpcí, což umožňuje uložit více vodíku do daného objemu při daném tlaku. Současné MOF v kombinaci s kryogenním chlazením vykazují rekordní kapacity – v některých případech překračují to, čeho lze dosáhnout s kapalným vodíkem na jednotku objemu – což by mohlo umožnit vozidlům na vodík ujet na jednu nádrž delší vzdálenost a rychleji tankovat. S celosvětovým zájmem o vodík jako čistý nosič energie (pro dopravu, skladování v síti a průmysl) jsou pokroky jako nádrže na bázi MOF klíčové. Skutečnost, že jsou podávány patenty a financovány víceroční projekty v EU i jinde, signalizuje důvěru, že MOF sehrají klíčovou roli v vodíkové ekonomice. Jak uvedla jedna zpráva EU, tyto inovativní materiály slibují „levná, účinná a ekologicky šetrná řešení skladování vodíku“ pro klimatické cíle Evropy cordis.europa.eu – což je tvrzení, které rezonuje po celém světě, jak státy investují do infrastruktury H₂.
Doručování léčiv a biomedicínské aplikace
MOF nejsou jen pro energetiku a životní prostředí – také způsobují rozruch v biomedicíně jako nové systémy pro doručování léčiv a zobrazovací látky. V kontextu farmacie mohou MOF sloužit jako nanoskopičtí nosiči terapeutických molekul. Myšlenka je, že léčivo (které může být malá molekula, protein nebo dokonce nukleová kyselina) může být naloženo do pórů MOF a poté transportováno tělem, chráněno klecí MOF. Porézní struktura může někdy chránit léčivo před předčasným rozkladem, cílit jeho uvolnění na konkrétní místo nebo umožnit pomalé, řízené uvolňování v čase. MOF lze dokonce navrhnout tak, aby reagovaly na podněty (jako je pH nebo světlo) a spustily uvolnění léčiva na povel jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Toto je rychle se rozvíjející oblast výzkumu v nanomedicíně.
Jednou z výhod MOF je jejich vysoká kapacita nakládky – díky obrovskému povrchu mohou nést velké množství léčiva vzhledem ke své hmotnosti. Mnoho MOF lze také vyrobit z biokompatibilních složek (např. zinkové nebo železné uzly s jedlými organickými kyselinami), což znamená, že se mohou v těle rozkládat na netoxické vedlejší produkty cas.org. Ve skutečnosti jsou některé MOF biokompatibilní a biologicky rozložitelné, což je činí atraktivními pro použití v živých organismech cas.org. Výzkumníci zavedli termín „nano-MOFs“ pro velmi malé částice MOF (typicky 50–200 nanometrů) určené pro injekci do krevního oběhu nebo buněčné doručení axial.acs.org. Některé z těchto nano-MOF již postoupily do klinických studií pro léčbu rakoviny axial.acs.org – například jako nosiče chemoterapeutik nebo pro zlepšení radiační léčby. To ukazuje skutečný potenciál MOF jako platformy v medicíně.Nedávná studie z roku 2024 ukázala, jak jednoduchá chemická úprava může zlepšit výkon MOF při dodávání léčiv. Vědci z University of Miami vzali dobře známý MOF nazývaný MIL-101(Cr) (chromový rámec s velkými póry) a účinně jej „nafoukli“ pomocí dalšího syntetického kroku acs.org. Krystaly MOF ošetřili trochou kyseliny octové (podobné octu), aby zvětšili velikost pórů z přibližně 2,5 nm na 5 nm, čímž zvýšili vnitřní povrchovou plochu acs.org. Tyto „pórově rozšířené“ částice MOF byly následně naloženy dvěma modelovými léčivy – ibuprofenem (protizánětlivý lék) a 5-fluorouracilem (chemoterapeutikum) – za účelem testování kapacity a kinetiky uvolňování. Výsledky byly pozoruhodné: „Nafouknuté MOF pojaly více ibuprofenu nebo chemoterapeutika ve srovnání s původní verzí a měly lepší výkon jako potenciální nosič léčiv.“ acs.org Protože póry byly větší, dovnitř se vešlo více molekul léčiva, a skutečně modifikovaný MOF absorboval větší množství obou léčiv než nemodifikovaný MIL-101 acs.org. Navíc v experimentech s uvolňováním uvolňoval MOF s rozšířenými póry léčiva podstatně rychleji než původní, díky větším otvorům, které fungovaly jako široké „dveře“ pro únik molekul acs.org. Rychlejší uvolňování může být výhodné pro rychlé dosažení terapeutických hladin, zatímco kontrolované pomalé uvolňování lze dosáhnout jinými úpravami. Výzkumníci považují tuto jednoduchou metodu „acid-wash“ za způsob, jak ladit profily dodávání MOF pro různé potřeby acs.org. Jak uvádějí, „jednoduché změny, jako jsou tyto, by mohly maximalizovat účinnost MOF v budoucích aplikacích pro dodávání léčiv“, a probíhající práce zkoumá, jak dosáhnout pomalého, dlouhodobého uvolňování v konkrétních časových rámcích úpravou struktury pórů acs.org.Toto je jen jeden z mnoha příkladů. Další studie ukázaly, že MOF mohou nést kombinace léčiv, chránit citlivé biomolekuly jako jsou proteiny nebo RNA a dokonce umožnit cílené doručování do nádorů (připojením cílových ligandů k MOF). Protože lze kombinovat různé kovové centry, vědci zjistili, že volba kovu může ovlivnit rychlost uvolňování – například jedna studie zjistila, že MOF vyrobené s hořčíkem uvolňovaly testované léčivo rychleji než ty se zirkoniem, což naznačuje, že rozpustnější kovové uzly vedou k rychlejšímu rozkladu struktury a uvolnění léčiva axial.acs.org. Taková zjištění vedou návrh MOF pro „uvolňování léčiv na vyžádání“ a theranostiku (terapie + diagnostika). Významné je, že MOF mohou také sloužit jako kontrastní látky nebo zobrazovací sondy; některé obsahují luminescenční lanthanoidy nebo radioaktivní izotopy pro sledování a jiné zvyšují signál v MRI. Luminescenční vlastnosti některých MOF dokonce umožnily vznik biosenzorů, které dokážou detekovat biomarkery nebo environmentální toxiny změnou fluorescence cas.org – čímž stírají hranici mezi doručováním léčiv a detekcí.
Zásadní je, že rané bezpečnostní studie naznačují, že správně formulované MOF mohou být netoxické a biologicky odbouratelné v těle cas.org. Například MOF z železa nebo zinku s potravinářskými ligandy se mohou rozložit na živiny nebo být vyloučeny. Tato biokompatibilita, v kombinaci s vysokou kapacitou pro náklad a univerzálností, vedla odborníky k tomu, že MOF označují za „slibnou novou třídu chytrých nosičů léčiv“ pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Ačkoli zatím žádné léčivo na bázi MOF není na trhu, probíhající klinické studie naznačují, že je to jen otázka času. V blízké budoucnosti by nanopartikule MOF mohly doručovat chemoterapii přímoji do rakovinných buněk, čímž by se snížily vedlejší účinky, nebo působit jako „nano-antidota“, která absorbují toxické látky v těle. Výzkum v této oblasti je velmi intenzivní – jeden přehled napočítal desítky systémů pro doručování léčiv na bázi MOF pro rakovinu, HIV, diabetes a další ve fázi výzkumu pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Pokud budou tyto snahy úspěšné, MOF by mohly zahájit novou éru precizní medicíny, kde léčba nebude jen o molekule léčiva, ale také o chytrém nosiči, který ji přenáší.
Senzory a detekce
Díky své laditelné chemii a často vrozené luminiscenci se MOF staly silnými komponenty v chemických senzorech. I nepatrná změna ve struktuře MOF – například navázání hostitelské molekuly nebo přenos elektronu – se může projevit jako detekovatelný optický nebo elektrický signál. Díky tomu jsou MOF vynikající pro detekci stopových látek v životním prostředí, potravinách nebo dokonce v lidském těle. Výzkumníci vytvořili senzory na bázi MOF pro širokou škálu cílů: ionty těžkých kovů, výbušniny (například páry TNT), nebezpečné průmyslové plyny a biomarkery nemocí, abychom jmenovali alespoň některé sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Jedním z oblíbených přístupů jsou luminiscenční MOF (často označované jako LMOF). Jsou to MOF, které buď přirozeně fluoreskují nebo fosforeskují, nebo jsou dopované fluorescenčními molekulami/ionty kovů. Když do pórů MOF vstoupí cílový analyt, může způsobit změnu luminiscence – například jejím zhášedlem, zesílením nebo posunem barvy. Například některé MOF obsahující lanthanoidové kovy vydávají jasný signál, který může být selektivně zhášet specifickými chemikáliemi, což umožňuje detekci těchto chemikálií ve velmi nízkých koncentracích pubs.rsc.org. Existují MOF, které fungují jako senzory typu „zapnutí“ pro ionty kovů, například hliník (svítí pouze při navázání iontu) pubs.acs.org, nebo jako senzory měnící barvu pro pH nebo kyslík. Protože MOF mají modulární strukturu, mohou návrháři senzorů začlenit rozpoznávací místa přímo do rámce. Představte si MOF, který má vazebné kapsy přesně dimenzované pro molekulu znečišťující látky – když je znečišťující látka zachycena, spustí přenos elektronu nebo energie, který způsobí, že luminiscence MOF zeslábne nebo změní barvu. Taková specifita je v senzorice velmi ceněná.
Klíčovou výhodou MOF senzorů je, že mohou být vysoce citlivé a selektivní a zároveň zůstávají stabilní. MOF často mohou fungovat v různých prostředích (některé jsou stabilní ve vodě, pro vodní detekci). Výzkumníci dokonce vyvinuli senzory na bázi MOF, které dokážou detekovat biomarkery v komplexních tekutinách, jako je moč nebo krev, tím, že v jednom kroku filtrují a zachytí cíl sciencedirect.com. Další vzrušující oblastí jsou elektrochemické MOF senzory: vodivé MOF nebo kompozity mohou generovat elektrický proud jako odpověď na adsorpci plynu nebo páry, čímž fungují jako nový typ „elektronického nosu“ orcasia.org.
Důležité je, že mnoho MOF je vyrobeno z relativně neškodných složek, takže jejich použití v senzorech pro spotřebitele nebo biomedicínu je proveditelné. Analytik CAS poznamenal, že MOF mohou být skvělé jako biosenzory, protože některé jsou „málo toxické a biologicky odbouratelné“, zejména ty používané v detekci založené na luminiscenci cas.org. To znamená, že sonda potažená MOF by mohla být jednoho dne použita in vivo (uvnitř těla) ke sledování stavů, nebo by částice MOF mohly být součástí diagnostického testu, který se po použití bezpečně rozpustí. Již nyní byly MOF senzory testovány na věci jako toxické těžké kovy ve vodě (kdy MOF fluoreskuje v přítomnosti rtuti nebo olova) pubs.acs.org, kontaminanty v potravinách (pesticidy nebo antibiotika, která způsobí změnu emise MOF) sciencedirect.com, a dokonce i jako nositelné senzory pro analýzu dechu.
Jedním z příkladů ve vývoji je senzorové pole na bázi MOF pro detekci výbušnin a chemických bojových látek. Díky použití více MOF, z nichž každý je naladěn na reakci na různé chemické tvary, může pole vytvořit jedinečný otisk pro danou látku (podobně jako náš nos rozlišuje pachy). Další příklad: vědci vytvořili luminiscenční MOF senzor, který dokáže rychle označit zkažené potraviny detekcí aminových par z rozkladu masa, přičemž jako indikátor slouží změna barvy sciencedirect.com. Tato kreativní řešení ukazují, jak mohou MOF přispět k ochraně veřejného zdraví a bezpečnosti.
Stručně řečeno, MOF přinášejí vysokou citlivost, přizpůsobitelnost a stabilitu do senzorových technologií. V některých případech dokážou detekovat molekuly na úrovni částic na miliardu a jejich odezvu lze navrhnout tak, aby byla snadno čitelná (změna barvy viditelná okem nebo změna proudu/napětí pro elektronické čtení). Jak se normy pro monitorování životního prostředí a bezpečnost potravin zpřísňují, MOF senzory by mohly najít široké uplatnění díky své kombinaci přesnosti a praktičnosti. Skutečnost, že MOF lze vyrobit jako tenké filmy nebo prášky, které pokrývají zařízení, znamená, že integrace do senzorového hardwaru je velmi proveditelná. Firmy a výzkumné laboratoře po celém světě aktivně patentují návrhy MOF senzorů cas.orgcas.org, což naznačuje, že bychom brzy mohli vidět komerční senzorové produkty využívající MOF technologii – od chytrých kuchyňských senzorů detekujících zkažení až po ruční detektory kvality ovzduší a bezpečnostních hrozeb. Toto je dynamická oblast, kde se setkává chemie a inženýrství, a MOF jsou na špičce v tom, jak učinit náš svět lépe detekovatelným a měřitelným do nejmenších detailů.
Získávání vody a technologie pro čistou vodu
Možná jednou z nejvíce futuristicky znějících aplikací MOFů – a přesto již v reálném životě demonstrovanou – je získávání pitné vody ze vzduchu. Sklizeň vody ze vzduchu je technologie, která si klade za cíl extrahovat vlhkost ze vzduchu (i v suchých pouštních podmínkách), aby poskytla čerstvou vodu. Tradiční odvlhčovače nebo sítě na mlhu vyžadují relativně vlhký vzduch nebo velké množství energie. Ale MOFy prokázaly schopnost zachytávat vodu z extrémně suchého vzduchu (až na 10–20 % relativní vlhkosti) a poté ji uvolnit s minimální energetickou náročností, což z nich činí ideální řešení pro nezávislé generátory vody v oblastech postižených suchem.
Tento koncept byl průkopnicky rozvinut profesorem Omarem Yaghim (vynálezcem MOFů) a jeho kolegy. V roce 2017 poprvé oznámili MOF (MOF-801), který dokázal získávat vodu z pouštního vzduchu pouze za použití sluneční energie. O několik let později, v roce 2023, technologie výrazně pokročila. Výzkumníci z UC Berkeley představili ruční zařízení na získávání vody využívající MOFy, které bylo testováno v Údolí smrti – jednom z nejsušších a nejteplejších míst na Zemi. Zařízení, velké asi jako malý batoh a napájené výhradně okolním slunečním světlem, opakovaně cyklovalo: v noci zachytávalo vodu a přes den ji uvolňovalo v kapalné podobě. „Tyto testy ukázaly, že zařízení může poskytnout čistou vodu kdekoli,“ uvedl tým a označil jej za naléhavé řešení, protože „klimatická změna zhoršuje podmínky sucha.“ cdss.berkeley.edu Sběrač na bázi MOF byl schopen získávat vlhkost ze vzduchu s vlhkostí pouhých 10 % a produkovat až 285 gramů vody na kilogram MOFu za den v terénu cdss.berkeley.edu. (~285 g je přibližně jeden hrnek vody; laboratorní testy za ideálních podmínek dávají ještě více.) Působivé je, že to dokázal s nulovou externí energií kromě slunečního světla, což znamená nula emisí skleníkových plynů nebo potřeby elektřiny cdss.berkeley.edu. To je možné, protože MOF nejprve adsorbuje vodní páru z chladného nočního vzduchu; poté denní slunce zahřeje MOF, což způsobí uvolnění vody ve formě páry, která je následně zkondenzována do kapaliny ve sběrači. MOF může fungovat mnoho cyklů bez ztráty výkonu a lze jej regenerovat jednoduše vysušením, což z něj činí robustní „vodní houbu“ pro dlouhodobé použití cdss.berkeley.edu.
MOF použitý v nejnovějším zařízení je hliníkový rámec (nazývaný MOF-303), který má silnou afinitu k vodě, ale zároveň ji uvolňuje při mírných teplotách (~80 °C). Tento MOF byl vybrán pro svůj výjimečný výkon: dokáže získávat vodu i v extrémně suchých podmínkách a je stabilní po tisíce cyklů businesswire.com. Ve skutečnosti byl MOF-303 úspěšně testován v Údolí smrti, což potvrzuje jeho praktické využití v extrémních podmínkách businesswire.com. Během testů zařízení dosáhlo zisku vody asi 85–90 % adsorbované vody v každém cyklu cdss.berkeley.edu, což znamená, že jen velmi málo zachycené vlhkosti bylo ztraceno. Dr. Yaghi, který vedl studii publikovanou v Nature Water (červenec 2023), zdůraznil význam: „Téměř třetina světové populace žije v oblastech s nedostatkem vody. OSN předpovídá, že do roku 2050 bude téměř 5 miliard lidí čelit nedostatku vody… To je velmi relevantní pro využití nového zdroje vody.“ cdss.berkeley.edu Využitím obrovské zásoby vody v atmosféře (i v pouštích je ve vzduchu nějaká vlhkost) nabízejí MOF zařízení lákavý nový zdroj vody, který je decentralizovaný a udržitelný. Na rozdíl od velkých odsolovacích zařízení (která potřebují elektřinu a mořskou vodu) může být MOF sklízecí zařízení osobní nebo vesnický přístroj, který funguje kdekoli, kde je vzduch a sluneční světlo.
Komerční snahy o rozšíření výroby zařízení na získávání vody pomocí MOF jsou nyní v plném proudu. Několik startupů, často ve spolupráci s univerzitami, posouvá tuto technologii kupředu. Podle nedávné tržní zprávy společnosti jako Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule a Transaera využívají vynikající adsorpční vlastnosti MOF k vývoji nové generace chladicích a vodních systémů businesswire.com. Tyto systémy údajně dokážou vyrobit až 0,7 litru vody na kilogram MOF za den i v suchých podmínkách businesswire.com – což je přibližně dvojnásobek výtěžnosti původních prototypů – díky vylepšeným materiálům a designu. Například Transaera začleňuje MOF do ultraúčinných klimatizací, které nejen chladí vzduch, ale zároveň sbírají vodu jako bonus (Transaera byla finalistou Global Cooling Prize). Další projekt společnosti AQUAml (spojené s MIT) využívá MOF pro osobní láhve na vodu, které se doplňují z vlhkosti vzduchu. Skutečnost, že MOF fungují i při nízké vlhkosti, znamená, že je lze využít také pro pasivní odvlhčování v systémech HVAC, což zvyšuje účinnost chlazení vysoušením vzduchu bez kondenzátorových spirál cas.org.
Zařízení na získávání vody pomocí MOF je ukázkovým příkladem toho, jak tyto materiály mohou řešit humanitární potřeby a adaptaci na změnu klimatu. V oblastech s kontaminovanými zdroji vody by zařízení s MOF mohla poskytovat bezpečnou pitnou vodu s minimální infrastrukturou. Navíc jsou modulárně škálovatelná – můžete nasadit stovky jednotek MOF pro podporu komunity, nebo jednu jednotku pro rodinu. Výzkumníci si dokonce představují samo-doplňující láhve na vodu pro turisty a generátory vody pro vojáky v terénu, vše poháněné MOF a sluneční energií. I když náklady a rozšíření výroby představují další překážky, dosavadní pokrok je velmi slibný. Jak poznamenal jeden článek, zařízení na získávání vody ze vzduchu díky MOF působí jako „chemie na hranici magie“, která proměňuje něco tak nehmotného, jako je vzduch, v jeden z nejdůležitějších životních zdrojů. S tím, jak změna klimatu způsobuje častější sucha, by tyto technologie mohly být zásadní změnou pro vodní bezpečnost a inspirativním využitím pokročilých materiálů pro společenské dobro.
Další nové využití (katalýza, baterie a další)
Kromě výše uvedených hlavních aplikací vykazují MOF svou všestrannost i v mnoha dalších oblastech. Jejich vysoký specifický povrch, možnost ladění a schopnost začlenit aktivní kovy nebo funkční skupiny z nich činí ideální materiály pro katalýzu – urychlování chemických reakcí. MOF mohou sloužit jako samotné katalyzátory nebo jako prekurzory katalytických materiálů. Například MOF s otevřenými kovovými místy byly použity ke katalýze přeměny CO₂ na paliva a materiály odvozené z MOF (například uhlíkové struktury zachovávající kov z MOF) vykazovaly vynikající výkon v elektrokatalýze (např. pro redukci kyslíku v palivových článcích) cas.org. Jedna studie zjistila, že uhlíkové nanotrubice dopované dusíkem odvozené z MOF měly „zlepšenou elektrokatalytickou aktivitu a stabilitu“ při elektrolýze vody ve srovnání se standardními katalyzátory cas.org. Schopnost navrhovat atomární strukturu katalyzátoru pomocí MOF (někdy nazývaná „nano-odlévání“) je velmi atraktivní v oblasti zelené chemie a průmyslových procesů.
MOF jsou také zkoumány v zařízeních pro ukládání energie. Výzkumníci testují MOF jako elektrodové materiály v lithium-iontových bateriích, kde jejich porézní struktura může pojmout lithium-ionty a potenciálně zlepšit kapacitu nebo rychlost nabíjení cas.org. Některé MOF (nebo jejich deriváty) byly zkoumány jako materiály pro superkondenzátory pro rychlé ukládání energie cas.org. Zatímco většina MOF je izolantní, objevil se nový podtyp vodivých MOF, které mohou přenášet elektrony a mohly by být využity v elektronice nebo senzorech. Dokonce existují MOF s vnitřními magnetickými nebo ferolelektrickými vlastnostmi, které jsou zkoumány pro pokročilá funkční zařízení.
Další oblastí, kde dochází k inovacím s MOF, je separace a čištění plynů v chemickém průmyslu. Zmínili jsme zachycování uhlíku, ale MOF mohou cílit i na jiné obtížné separace – například izolaci propylen z propanu (klíčový krok při výrobě plastů) nebo odstraňování nečistot ze zemního plynu. Společnosti jako UniSieve vyvinuly membrány na bázi MOF, které fungují jako molekulová síta a umožňují energeticky efektivní separace. V jednom případě byla MOF membrána schopna oddělit propylen na čistotu 99,5 % od propanu businesswire.com, což nabízí potenciální nízkoenergetickou alternativu k destilaci (která obvykle spotřebuje obrovské množství energie pro takové separace). Podobně jsou MOF filtry zkoumány pro recyklaci chladiv, čištění průmyslových rozpouštědel a dokonce i pro odstraňování jaderného odpadu (zachycování radioaktivního jódu nebo xenonu).
V oblasti elektroniky a senzorů vědci vytvořili MOF-založené tenké filmy, které jsou selektivní pro určité plyny, což by mohlo vést k novým typům plynových senzorů nebo dokonce membrán pro palivové články. Sanace životního prostředí je další specifickou oblastí – MOFy dokážou zachytit znečišťující látky jako PFAS („věčné chemikálie“) z vody díky své nastavitelné adsorpci a některé fotokatalytické MOFy mohou rozkládat organické znečišťující látky za působení světla.
Nakonec mají MOFy i některá hravá, ale zajímavá potenciální využití: co třeba MOF tkaniny, které absorbují pachy nebo chemické látky (pro ochranné oděvy)? Nebo MOF povlaky v lednicích, které absorbují ethylen a udrží potraviny déle čerstvé? Tyto nápady jsou všechny testovány. Hlavní myšlenkou je, že MOFy představují platformní materiál: stejně jako polymery nebo křemík našly nespočet využití, MOFy jsou švýcarský armádní nůž ve světě materiálů. Jak uvedla jedna tržní analýza, „Výjimečné vlastnosti MOFů – včetně rekordně velkých povrchových ploch, nastavitelných pórů a přizpůsobitelné chemie – umožňují řešení některých z nejpalčivějších problémů společnosti.“ businesswire.com Od čistého vzduchu a vody po čistou energii a zdraví, MOFy mají svůj otisk v široké škále inovací.
Globální prostředí: výzkum, patenty a komercializace po celém světě
Vzrušení kolem MOF je skutečně celosvětové. Po počátečních průlomech v USA (práce profesora Yaghiho na UC Berkeley a UCLA) a Japonsku (nezávislé objevy MOF profesora Susumu Kitagawy v Kjótu) se výzkum rychle rozšířil po celé Severní Americe, Evropě, Asii a dále. Spojené státy zůstávají centrem inovací v oblasti MOF, s předními univerzitami (Berkeley, MIT, Northwestern atd.), národními laboratořemi a firmami, které posouvají hranice poznání. Několik amerických startupů, často vzniklých z akademických laboratoří, komercializuje MOF: NuMat Technologies (Illinois) se zaměřuje na skladování plynů a dokonce prodává plynové lahve vybavené MOF (ION-X), které uchovávají toxické plyny pro polovodičový průmysl bezpečnějším způsobem, při podatmosférickém tlaku businesswire.com. NuMat také uvádí výrobní kapacitu přibližně 300 tun MOF ročně ve svých zařízeních businesswire.com. Mosaic Materials v Kalifornii (zmíněno dříve pro zachytávání CO₂) a Transaera (Massachusetts, pro chlazení) jsou další významné americké podniky. Průmyslový gigant BASF v Německu byl jedním z prvních, kdo výrazně investoval do MOF; v roce 2010 navýšil výrobu MOF (vyráběl měďnatý MOF v tunových množstvích) a nyní má několikaset tunovou roční kapacitu v Ludwigshafenu businesswire.com. MOF od BASF (prodávaný pod názvem Basolite) se dokonce používá v některých komerčních produktech, jako je špičkové energeticky úsporné izolační sklo a chemické filtry. Evropa má silnou akademickou síť zaměřenou na MOF (například EU pořádá konference jako EuroMOF) a Evropská unie financovala projekty jako MOST-H2 (skladování vodíku) a AMADEUS (skladování amoniaku pomocí MOF) pro urychlení aplikovaného výzkumu.
Čína se v uplynulém desetiletí stala významným přispěvatelem do vědy o MOF. Ve skutečnosti podle publikačních metrik čínští výzkumníci tvoří velkou část nových článků a patentů o MOF – v oblastech od zachycování uhlíku po doručování léčiv. Bibliometrická studie poznamenala, že „Čína významně přispěla a zaujímá vedoucí postavení v MOF v onkologickém výzkumu“ pmc.ncbi.nlm.nih.gov, abychom uvedli jeden příklad. Významné čínské instituce jako Univerzita v Jilinu, Univerzita v Nankai a Čínská akademie věd mají specializovaná centra MOF, která zkoumají vše od baterií na bázi MOF po katalyzátory pro přeměnu CO₂ na palivo. Snahy čínské vlády o dosažení uhlíkové neutrality do roku 2060 podnítily zájem o MOF pro dekarbonizační technologie. Ačkoliv Čína zatím nemusí mít tolik MOF startupů známých celosvětově, má silnou spolupráci mezi průmyslem a akademickou sférou. Významné je, že Čína vede v oblasti skladování metanu v MOF pro vozidla (kde by nádrže naplněné adsorbenty mohly umožnit vozidlům na zemní plyn pojmout více paliva při nižším tlaku) a zkoumá MOF pro zachycování průmyslových emisí v rámci svých národních programů CCUS.
Aktivní jsou i další regiony: Japonsko nadále přispívá (výzkumem průkopníků jako Kitagawa a novějšími pracemi na vodivých MOF), Jižní Korea má společnosti jako framergy (která spolupracuje s mezinárodními skupinami na komercializaci MOF) a Austrálie je domovem ARC Centre of Excellence in Exciton Science, které se zabývá MOF pro senzory a fotokatalýzu. Na Blízkém východě je KAUST v Saúdské Arábii centrem výzkumu MOF (jak bylo uvedeno, podali patenty na zachycování uhlíku pomocí MOF) cas.org a země jako Spojené arabské emiráty a Katar mají zájem o MOF pro odsolování vody a separaci plynů, což odpovídá jejich potřebám.
Důležité je, že vývoj MOF již není omezen pouze na laboratoř. Počet patentů a komerčních produktů roste. Analýza Chemical Abstracts Service z konce roku 2024 zdůraznila, že zatímco počet publikací o MOF prudce vzrostl, „růst počtu patentových publikací naznačuje, že širší komercializace této technologie je na spadnutí.“ cas.org Zejména CAS zaznamenal významnou patentovou aktivitu v oblasti aplikací souvisejících s dekarbonizací (zachycování uhlíku, energie, skladování plynů) a také v oblastech jako čistá voda a senzory cas.org. To naznačuje, že společnosti a ústavy chrání inovace založené na MOF, protože se připravují na jejich nasazení v reálném světě. K roku 2024 bylo plně komercializováno jen několik produktů využívajících MOF businesswire.com – příklady zahrnují filtry na CO₂ od společnosti Svante, plynové kontejnery NuMat, některá specializovaná zařízení na čištění vzduchu a řadu balíčků pro regulaci vlhkosti na bázi MOF. Zdá se však, že se nacházíme na bodu zlomu. „Globální trh s MOF v současnosti prochází zásadním přechodem od akademického výzkumu k průmyslovému využití,“ uvádí zpráva ResearchAndMarkets, která předpovídá, že toto odvětví bude nadále růst přibližně o 30 % ročně businesswire.com. Do roku 2035 by aplikace MOF mohly představovat trh v hodnotě několika miliard dolarů, zejména díky zachycování uhlíku, skladování vodíku, získávání vody a chemickým separacím businesswire.com.
Výrobní strana také roste: přibližně 50 společností po celém světě nyní vyrábí MOF, i když velká část kapacity je soustředěna u několika hráčů (jako BASF a NuMat) businesswire.com. Výzvy, kterým čelí, zahrnují škálování výroby z laboratorních gramů na průmyslové tuny při zachování kvality a dosažení toho nákladově efektivně businesswire.com. Povzbudivé je, že dochází k pokroku – náklady klesají, jak se techniky zlepšují, a firmy vyvinuly kontinuální výrobní metody (na rozdíl od pomalé dávkové syntézy), aby mohly vyrábět MOF ve větším množství businesswire.com. Například Promethean Particles ve Velké Británii používá průtokový reaktor k výrobě MOF a dalších nanomateriálů a novoMOF ve Švýcarsku nabízí smluvní výrobu MOF ve velkém měřítku. Tyto události naznačují, že pokud se objeví velká poptávka (například tisíce tun pro jednotky na zachycování uhlíku), nabídka bude připravena ji uspokojit.Mezinárodní spolupráce je také patrná: vědci z různých zemí často společně publikují články o MOF a konají se globální konference (např. MOF2023 v Melbourne, MOF2024 ve Vancouveru), které spojují komunitu dohromady. To pomáhá šířit osvědčené postupy a vyhnout se duplicitnímu úsilí vzhledem k obrovskému chemickému prostoru MOF.
Výhled: Proč jsou MOF důležité pro udržitelnou budoucnost
Jak jsme viděli, MOF se nacházejí na průsečíku pokročilé vědy o materiálech a řešení reálných problémů. Často jsou označovány za „game-changer“ v oblasti udržitelnosti, protože umožňují procesy, které byly dříve neproveditelné nebo neefektivní. Zachycování uhlíku je toho hlavním příkladem – díky snížení energetické náročnosti při odstraňování CO₂ by MOF mohly umožnit širší nasazení zachycování uhlíku v elektrárnách a továrnách, což by výrazně snížilo emise skleníkových plynů. Ukládání čisté energie je další oblast: MOF by mohly konečně učinit vodík (a možná i jiné plyny, jako je metan) praktickým čistým palivem tím, že vyřeší problém skladování. V oblasti čisté vody MOF doslova vytvářejí vodu ze vzduchu nebo levně čistí vodu, čímž řeší nedostatek a kontaminaci bez nutnosti rozsáhlé infrastruktury. Ve zdravotnictví MOF přinášejí naději na cílené doručování léků a citlivou diagnostiku, což by mohlo zachraňovat životy díky chytřejším terapiím. A v celé průmyslové chemii MOF nabízejí energeticky úspornější separační a katalytické procesy, které by mohly snížit uhlíkovou stopu při výrobě běžných chemikálií.
Je vzácné, aby jedna třída materiálů ovlivnila tolik odvětví – a právě proto jsou MOF často přirovnávány k „novému křemíku“ nebo „novému plastu“ z hlediska transformačního potenciálu. Představují nový způsob, jak stavět materiály od základu s přesností (což jim vyneslo přirovnání k LEGO nebo Tinkertoys na molekulární úrovni). Tento retikulární konstrukční přístup byl ještě před několika desetiletími převážně teoretický; nyní je to praktická sada nástrojů, kterou přijali chemici a inženýři po celém světě.
Odborníci se domnívají, že jsme na prahu toho, aby se MOF přesunuly z laboratorních kuriozit na všudypřítomné pracovní materiály zabudované do různých technologií. „Se všemi svými potenciálními aplikacemi MOF přinášejí důležité průlomy v některých z našich nejnáročnějších vědeckých oblastí,“ napsal jeden analytik ACS a dodal, že zlepšení v oblasti AI a strojového učení urychlují screening MOF, „což znamená, že další pokroky a komerční využití mohou být blízko.“ cas.org Časová osa pro pronikání MOF na trh se již zkracuje: zatímco první MOF byl vytvořen v roce 1995, trvalo až do 20. let 21. století, než se objevila první komerční využití, ale v příštích několika letech můžeme vidět desítky produktů umožněných MOF. Průmysloví giganti si toho všímají – ropné a plynárenské společnosti zvažují MOF pro čistší zpracování, technologické firmy se dívají na MOF pro vzduchové filtry v datových centrech a automobilky mají zájem o MOF vodíkové nádrže a CO₂ scrubbery pro vzduch v kabině.
Celosvětově podpora výzkumu a zavádění MOF odpovídá naléhavým prioritám, jako jsou opatření v oblasti klimatu, udržitelný rozvoj a pokročilá výroba. Vlády a investoři financují startupy a pilotní projekty zaměřené na MOF, protože si uvědomují, že tyto materiály by mohly jejich zemi poskytnout konkurenční výhodu v oblasti čistých technologií. V USA a Evropě jsou MOF součástí plánů pro zachycování uhlíku a skladování vodíku. Nejnovější pětileté plány Číny zdůrazňují nové materiály a udržitelnost – oblasti, které jsou pro MOF klíčové. Zapojeny jsou také mezinárodní organizace: například zachycování uhlíku pomocí MOF bylo zdůrazněno na nedávných konferencích CCUS decarbonfuse.com, a získávání vody pomocí MOF bylo pokryto médii jako BBC a Scientific American, což přináší těmto inovacím pozornost veřejnosti.
Samozřejmě, výzvy zůstávají. Výrobní náklady a škálovatelnost je třeba dále zlepšovat (i když, jak bylo zmíněno, v této oblasti dochází k významnému pokroku businesswire.com). Dlouhodobá stabilita MOF v reálných podmínkách (vystavení nečistotám, opakované cyklování) musí být prokázána případ od případu. A každá aplikace se musí vypořádat s konkurencí jiných technologií (například: může zachycování uhlíku pomocí MOF překonat nové systémy na bázi rozpouštědel nebo membrán? Mohou zařízení na získávání vody pomocí MOF překonat tradiční odsolování ve velkém měřítku?). Na tyto otázky odpoví v příštích letech demonstrační projekty a ekonomické analýzy. První signály jsou povzbudivé: tam, kde MOF vynikají, opravdu vynikají – nabízejí schopnosti, které nemají žádné alternativy (například žádný jiný materiál nedokáže tak efektivně zachytit vodu při 10% vlhkosti, nebo uložit tolik vodíku v tak lehké formě).
Závěrem lze říci, že MOF ilustrují sílu chemických inovací při řešení globálních výzev. Začaly jako kuriozita v chemických laboratořích a vyvinuly se v platformu s potenciálem učinit průmysl čistším, energii udržitelnější a zdroje, jako je voda, dostupnějšími. Celosvětové úsilí o vývoj MOF – od amerických startupů přes čínské univerzity, evropská výzkumná konsorcia až po laboratoře na Blízkém východě – podtrhuje sdílený optimismus v těchto materiálech. Jak to jeden report výstižně shrnul, MOF „přecházejí z vědecké kuriozity do komerční reality,“ a řeší problémy v oblasti zachycování uhlíku, vody, energie a dalších businesswire.com. Pokud budou současné trendy pokračovat, MOF možná brzy tiše budou pracovat v pozadí v mnoha aspektech každodenního života, pomáhajíce realizovat zelenější a pokročilejší svět. Až si příště dáte doušek vody na poušti, pojedete vodíkovým autem nebo se nadechnete čistšího vzduchu ve městě, možná za tím bude stát právě kovově-organický rámec.
Zdroje: Nedávný výzkum a odborné komentáře o MOF byly čerpány z předních vědeckých časopisů, tiskových zpráv univerzit a průmyslových zpráv, včetně Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, Businesswire releases businesswire.com, CORDIS (EU) cordis.europa.eu, a tržních analýz businesswire.com a dalších. Tyto zdroje zdůrazňují shodu v tom, že MOF představují průlomovou platformu v materiálové vědě s rychle rostoucím dopadem v reálném světě.
