- MOF-ovi imaju svjetski rekord unutarnje površine do oko 7.000 m^2 po gramu, s teorijskim dizajnima do 14.600 m^2/g.
- Tijekom otprilike 20 godina istraživači su stvorili gotovo 90.000 jedinstvenih MOF struktura, a teorija predviđa još stotine tisuća.
- MOF-ovi su porozne kristalne mreže izgrađene od metalnih čvorova i organskih poveznika, tvoreći podesivu 3D rešetku koja djeluje poput molekularne spužve.
- CALF-20, MOF na bazi cinka, može zadržati oko jedne tone CO2 dnevno po kubičnom metru u industrijskim uvjetima.
- ZnH-MFU-4l je revolucionarni MOF za hvatanje CO2 na visokim temperaturama koji selektivno veže CO2 iz vrućih dimnih plinova na oko 300 °C, hvatajući više od 90 posto CO2.
- DCF-1, koji je lansirao Decarbontek sredinom 2025., je jeftini MOF napravljen od cinkovog oksida i limunske kiseline, a predviđa se da će koštati oko 10 dolara po kilogramu u punoj proizvodnji.
- Svante testira sustav sorbensa CALF-20 MOF u cementari koji može uhvatiti oko 1 tonu CO2 dnevno.
- MOF-303, aluminijski MOF za prikupljanje vode, omogućio je ručni uređaj za prikupljanje vode u Dolini smrti 2023. koji je povratio oko 85–90% adsorbirane vode, isporučujući do 285 grama po kilogramu dnevno.
- EU projekt MOST-H2, pokrenut 2022., koristi AI za pretraživanje MOF-ova za skladištenje vodika; do 2025. izvijestio je o napretku s više od 10.000 pregledanih struktura i prototipovima koji ispunjavaju DOE ciljeve pri kriogenim uvjetima.
- MIL-101(Cr) može se proširiti od oko 2,5 nm do 5 nm tretmanom octenom kiselinom, što omogućuje veće punjenje ibuprofenom i 5-fluorouracilom te brže otpuštanje.
Promjena igre u naprednim materijalima i održivosti
Zamislite materijal s toliko unutarnje površine da prstohvat sadrži ekvivalent površine šest nogometnih igrališta news.berkeley.edu. Takvi metal-organski okviri (MOF-ovi) su porozni, kristalni spojevi sastavljeni od metalnih čvorova povezanih organskim veznicima, stvarajući mreže nalik spužvi na molekularnoj razini. Znanstvenici ističu MOF-ove kao materijale s “naizgled neograničenim mogućnostima” za izgradnju prilagođenih struktura s posebno oblikovanim svojstvima cas.org. Tijekom posljednjih 20 godina, istraživanje MOF-ova je eksplodiralo – stvoreno je gotovo 90.000 jedinstvenih MOF struktura (uz stotine tisuća predviđenih u teoriji) cas.org. Ovaj porast potaknut je obećanjem da MOF-ovi mogu riješiti ključne izazove održivosti i tehnologije. Od hvatanja ugljičnog dioksida koji zagrijava klimu i skladištenja čistog vodikovog goriva do isporuke lijekova i prikupljanja vode iz pustinjskog zraka, MOF-ovi su na pragu velikih otkrića u područjima od energije i okoliša do biomedicine cas.orgcas.org. U ovom izvještaju objašnjavamo što su MOF-ovi, kako rade i kako se proizvode, te zašto se smatraju revolucionarnima. Istražit ćemo glavne primjene – uključujući hvatanje ugljika, skladištenje vodika, isporuku lijekova, senzore i prikupljanje vode – ističući najnovija znanstvena otkrića, primjenu u stvarnom svijetu i uvide stručnjaka. Pregledom globalnog krajolika (SAD, EU, Kina i šire) i najnovijih dostignuća, vidjet ćemo zašto se MOF-ovi smatraju materijalima koji mijenjaju igru za održiviju budućnost.
Što su MOF-ovi? Porozni kristali s rekordnim površinama
Metal-organske mreže (MOF-ovi) su neobična klasa materijala izgrađena poput molekularnih Tinkertoy igračaka. Sastoje se od metalnih iona ili klastera koji djeluju kao čvorišta, povezanih organskim molekulama (ligandima) kao potpornjima. Ove komponente se samoorganiziraju u otvorenu, kaveznu kristalnu rešetku – u suštini tvoreći 3D poroznu mrežu povezanu koordinacijskim vezama cas.org. Rezultat je kristalna spužva: MOF-ovi imaju izuzetno visoku poroznost i površinu, što znači da je njihova unutrašnjost prepuna sićušnih šupljina i kanala u koje druge molekule mogu ući. Zapravo, MOF-ovi drže svjetski rekord za površinu materijala – neki nude do ~7.000 m^2 po gramu, s teorijskim dizajnima do 14.600 m^2/g cas.org. Da bismo to stavili u perspektivu, samo jedna žlica tipičnog MOF-a može imati unutarnju površinu veličine nekoliko nogometnih igrališta, pružajući obilje prostora za adsorpciju plinova ili drugih molekula news.berkeley.edu.
Ova golema unutarnja površina i podesiva struktura pora ono su što MOF-ove čini tako posebnima. Zamjenom metalnih čvorova ili organskih poveznika, kemičari mogu stvoriti različite MOF-ove s prilagođenim veličinama pora, oblicima i kemijskim funkcionalnostima cas.org. Gotovo svaka kombinacija je moguća – jedan od pionira ovog područja, profesor Omar Yaghi (koji je prvi sintetizirao MOF-ove 1990-ih), napomenuo je da je napravljeno desetci tisuća MOF-ova, a “stotine tisuća više” predviđaju algoritmi cas.org. Ova modularna “retikularna” strategija dizajna znači da znanstvenici u suštini mogu dizajnirati materijale po narudžbi: na primjer, MOF se može konstruirati tako da preferira hvatanje CO₂ molekula ili da svijetli u prisutnosti toksina, jednostavno odabirom odgovarajućih građevnih blokova. S druge strane, ova raznolikost predstavlja izazov – s toliko mogućih struktura, može biti teško predvidjeti koji će MOF najbolje odgovarati za određeni zadatak cas.org. (Istraživači sve više koriste AI i strojno učenje za pretraživanje MOF baza podataka i predlaganje najperspektivnijih kandidata, o čemu ćemo kasnije još govoriti cas.org.)
U sažetku, MOF je poput ultra-fine spužve ili skela na nanorazini. Sastoji se od anorganskih i organskih dijelova zaključanih u ponovljivu rešetku, što rezultira čvrstim materijalom koji je većinom prazan prostor. Te prazne pore mogu primiti molekule goste. Ključno je da MOF-ovi obično ostaju čvrsti čak i nakon što se njihovi početni otopinski “gosti” uklone – prazni okvir ostaje netaknut i porozan, spreman za adsorpciju novih molekula i njihovo otpuštanje pod pravim uvjetima en.wikipedia.org. Ovo reverzibilno preuzimanje i otpuštanje ključno je za primjene od skladištenja plinova do isporuke lijekova. Kako objašnjava dr. Kurtis Carsch, kemičar sa UC Berkeley: “Kao rezultat svojih jedinstvenih struktura, MOF-ovi imaju visoku gustoću mjesta na kojima možete uhvatiti i otpustiti CO₂ pod odgovarajućim uvjetima” news.berkeley.edu – ili na isti način uhvatiti i otpustiti druge molekule. U suštini, MOF-ovi nude neviđenu kombinaciju velikog kapaciteta (zbog ogromne površine), prilagodljivosti (dizajnom kemije) i reverzibilnosti, što ih čini snažnom platformom u znanosti o materijalima.
Kako se MOF-ovi proizvode i kako funkcioniraju?
Sinteza MOF-a često je lakša nego što njegova složena struktura sugerira. Tipično, znanstvenici otapaju izvor metala (poput metalne soli) i organsku veznu molekulu u otapalu, zatim potiču formiranje kristala sporim miješanjem, zagrijavanjem ili isparavanjem. Ioni metala i veznici spontano se koordiniraju i kristaliziraju u uređeni okvir – rast MOF kristala slično kao što se kamen šećer taloži iz otopine šećera, ali na molekularnoj razini. Mnogi MOF-ovi izrađuju se solvo-termalnim metodama (zagrijavanje sastojaka u zatvorenoj posudi), iako novije tehnike uključuju sintezu uz pomoć mikrovalova, sušenje raspršivanjem, pa čak i mehanokemijsko mljevenje bez otapala. Ono što je izvanredno jest da MOF-ovi se često mogu samoorganizirati pod relativno blagim uvjetima. Na primjer, nedavno otkriven MOF za hvatanje ugljika pod nazivom DCF-1 sintetizira se jednostavnim miješanjem cinkovog oksida s limunskom kiselinom u vodi – “sigurna, održiva i patentirana metoda” koja daje visokoučinkovit MOF po niskoj cijeni businesswire.com. Ovo ilustrira kako istraživači poboljšavaju metode proizvodnje kako bi smanjili troškove i izbjegli agresivne kemikalije. MOF kristali mogu biti veličine od nanometra do milimetra, a obično se prerađuju u praške ili oblikuju u pelete i membrane za praktičnu upotrebu.
Način na koji MOF-ovi djeluju svodi se na adsorpciju i selektivnost. Njihove pore djeluju kao mali ormarići za pohranu ili zamke za molekule. Kada je MOF izložen plinu ili tekućini, ciljne molekule mogu ući u pore i zalijepiti se za unutarnje površine (putem van der Waalsovih sila, kemijskih interakcija na specifičnim mjestima itd.). Budući da MOF-ovi imaju toliko veliku unutarnju površinu i često kemijske skupine koje vežu određene molekule, mogu upiti zapanjujuće količine. Na primjer, jedan MOF (CALF-20, okvir na bazi cinka) može zadržati oko jednu tonu CO₂ dnevno po kubičnom metru materijala u industrijskim uvjetima businesswire.com – u biti djelujući kao ogromna spužva za ugljikov dioksid. Ipak, adsorpcija je obično reverzibilna: promjenom uvjeta (zagrijavanjem MOF-a, snižavanjem tlaka ili ispiranjem drugim plinom), zarobljene molekule se oslobađaju (desorbiraju) i MOF se regenerira za novi ciklus news.berkeley.edu. Ovaj ciklički proces hvatanja i otpuštanja ključan je za primjene poput hvatanja ugljika ili skladištenja plinova, gdje MOF treba biti ponovno korišten mnogo puta. U primjeru hvatanja CO₂, kada je MOF zasićen CO₂, “CO₂ se može ukloniti snižavanjem njegovog parcijalnog tlaka – bilo ispiranjem drugim plinom ili stvaranjem vakuuma. MOF je tada spreman za ponovno korištenje u novom ciklusu adsorpcije” news.berkeley.edu.
Unutarnja kemija svakog MOF-a može se podesiti tako da preferira određene molekule u odnosu na druge, čineći ih izuzetno selektivnima. Neki MOF-ovi imaju otvorena metalna mjesta ili funkcionalne skupine u svojim porama koje djeluju kao kukice za specifične plinove. Drugi su ukrašeni molekulama (poput amina ili bakrovih mjesta) koje reagiraju s ciljem (poput CO₂). Ova prilagodljivost je velika prednost – za razliku od tradicionalnih poroznih materijala (npr. aktivni ugljen ili zeoliti) koji imaju fiksna svojstva, MOF-ovi se mogu dizajnirati po mjeri. “Njihova prilagodljiva svojstva su ključni faktor,” navodi izvješće CAS Insights, “velika površina i poroznost u kombinaciji s podesivom kemijom daju MOF-ovima sposobnost adsorpcije plinova i hlapljivih spojeva, što izaziva ogroman interes za separaciju i skladištenje plinova, osobito za CO₂” cas.org. Ukratko, MOF-ovi djeluju tako da selektivno zarobljavaju molekule u svojim nanoskopski malim porama – slično kao sito ili filter napravljen od molekula – a kasnije mogu otpustiti teret kada se aktiviraju. Ovaj jednostavan koncept temelj je raznih primjena o kojima ćemo govoriti, od uklanjanja CO₂ iz ispušnih plinova, do gušćeg skladištenja vodikovog goriva, do prenošenja molekula lijekova kroz krvotok.
Glavne primjene MOF-ova
Jedinstvene sposobnosti MOF-ova nalik spužvi čine ih korisnima u zapanjujuće širokom spektru primjena. U nastavku istražujemo neka od najutjecajnijih područja primjene koja se danas razvijaju – zajedno s nedavnim probojnim otkrićima i primjerima u svakoj oblasti.
Hvatanje ugljika i ublažavanje klimatskih promjena
Jedna od najhitnijih primjena MOF-ova je hvatanje ugljičnog dioksida iz dimnih plinova elektrana ili čak izravno iz zraka. Smanjenje emisija CO₂ ključno je za borbu protiv klimatskih promjena, a MOF-ovi se pojavljuju kao “jedni od najperspektivnijih materijala za hvatanje ugljika” jer mogu upijati CO₂ s većom učinkovitošću i manjom potrošnjom energije od konvencionalnih metoda ccarbon.info. Tradicionalna tehnologija hvatanja ugljika koristi otopine amina za vezanje CO₂, ali amini su korozivni, zahtijevaju puno energije za regeneraciju i obično djeluju samo na relativno niskim temperaturama (oko 40–60 °C). Međutim, mnogi industrijski dimni plinovi su znatno topliji (ispušni plinovi cementara i čeličana mogu prelaziti 200–300 °C), što hvatanje ugljika čini teškim i skupim jer se plinovi prvo moraju ohladiti news.berkeley.edu. MOF-ovi nude potencijalni iskorak: mogu se dizajnirati da hvataju CO₂ čak i u teškim uvjetima, a zatim ga oslobađaju uz umjereno zagrijavanje ili promjene tlaka, trošeći znatno manje energije ukupno nego aminski apsorberi ccarbon.info.
U kasnoj 2024. godini, kemičari sa UC Berkeleyja izvijestili su o revolucionarnom MOF-u koji može hvatati CO₂ iz vrućih dimnih plinova bez prethodnog hlađenja. Materijal, poznat kao ZnH-MFU-4l, sadrži cink-hidridne lokacije unutar svojih pora koje snažno vežu CO₂ pri visokim temperaturama. “Otkrili smo da MOF može hvatati ugljični dioksid na dosad neviđeno visokim temperaturama – temperaturama relevantnim za mnoge procese koji emitiraju CO₂,” rekao je dr. Kurtis Carsch, jedan od prvih autora studije. “To se ranije nije smatralo mogućim za porozni materijal.” news.berkeley.edu U simuliranim uvjetima ispušnih plinova, ovaj MOF je uspio selektivno uhvatiti CO₂ na ~300 °C (tipično za dimne plinove iz cementara/čeličana) i uhvatiti preko 90% CO₂ u struji (“dubinsko hvatanje ugljika”), što je usporedivo s učinkom tekućih amina news.berkeley.edu. Takav rad na visokim temperaturama izbjegava potrebu za trošenjem energije i vode za hlađenje emisija news.berkeley.edu, što potencijalno čini hvatanje ugljika izvedivim za industrije koje je teško dekarbonizirati, poput čelika i cementa. “Budući da entropija favorizira da molekule poput CO₂ ostanu u plinovitoj fazi sve više s porastom temperature, općenito se smatralo nemogućim hvatati takve molekule poroznim čvrstim tvarima na temperaturama iznad 200 °C,” napomenuo je profesor Jeffrey Long, voditelj istraživanja. “Ovaj rad pokazuje da se s pravom funkcionalnošću… hvatanje CO₂ velikog kapaciteta doista može postići na 300 °C.” news.berkeley.edu Ovo otkriće otvara novi smjer dizajna (korištenje metal-hidridnih mjesta u MOF-ovima) za materijale za hvatanje ugljika nove generacije news.berkeley.edu.MOF-ovi također briljiraju u konvencionalnijim ulogama hvatanja CO₂. Interes startupova i korporacija naglo je porastao: ExxonMobil je podnio patente za MOF tehnologije za hvatanje ugljika cas.org, a istraživači na KAUST-u u Saudijskoj Arabiji patentirali su MOF-ove za hvatanje CO₂ i odvajanje plinova cas.org. Brojni startupovi utrkuju se u komercijalizaciji MOF filtera za CO₂. Na primjer, Nuada (startup sa sjedištem u EU) istražuje MOF sustave kako bi pomogao proizvođačima cementa u hvatanju CO₂ iz dimnih plinova cas.org. Druga tvrtka, Mosaic Materials, razvila je MOF funkcionaliziran aminima za hvatanje CO₂ koji je bio toliko obećavajući da ju je 2022. godine preuzela energetsko-tehnološka tvrtka Baker Hughes radi povećanja proizvodnje news.berkeley.edu. MOF tvrtke Mosaic testira se u pilot-projektima kao alternativa tekućim aminima, pa čak i za izravno hvatanje CO₂ iz zraka news.berkeley.edu.Sredinom 2025. godine, Decarbontek, Inc. je objavio da komercijalno proizvodi MOF adsorbens za hvatanje ugljika. Tvrtka je lansirala DCF-1 (De-Carbon Framework-1), nazivajući ga “revolucionarnim, niskotročnim, visokoučinkovitim MOF-om dizajniranim za skalabilno hvatanje ugljika”, sada dostupnim po kilogramu ccarbon.info. “S lansiranjem DCF-1 postavljamo novi standard za materijale za hvatanje ugljika,” rekao je dr. Yong Ding, izvršni direktor Decarbonteka. “Isplativ je, jednostavan za proizvodnju i vrlo učinkovit – čineći hvatanje ugljika dostupnim u svim industrijama.” businesswire.com DCF-1 se može jeftino proizvesti (koristeći uobičajeni cinkov oksid i limunsku kiselinu) i cilja na cijenu od samo oko 10 USD po kg u punoj proizvodnji, “usporedivo s uobičajenim molekularnim sitima”, prema Dingu businesswire.com. Ovo je značajno jer se MOF-ovi dugo smatraju preskupima za masovnu upotrebu; jeftin, lako proizveden MOF mogao bi ukloniti glavnu prepreku za usvajanje ccarbon.info. Materijal navodno kombinira visoku apsorpciju CO₂ s netoksičnim, vodenim proizvodnim procesom, idealnim za nadogradnju tvornica ili čak izvlačenje CO₂ iz zraka businesswire.com. Decarbontekov proizvod i slični naglašavaju kako se MOF tehnologija iz laboratorija seli na tržište u području hvatanja ugljika.Možda je najopipljiviji znak napretka vidljiv u pilot-projektima: Svante, kanadska tvrtka, koristi MOF sorbens (CALF-20, koji proizvodi BASF) u demonstracijskom sustavu koji hvata oko 1 tonu CO₂ dnevno iz dimnih plinova cementare businesswire.com. Ovo testiranje u stvarnim uvjetima pokazuje da MOF-ovi mogu podnijeti industrijske plinovite tokove i zaista funkcionirati na terenu. Takav razvoj sugerira da bi MOF-ovi uskoro mogli igrati ključnu ulogu u hvatanju, korištenju i skladištenju ugljika (CCUS) na globalnoj razini, pomažući industrijama da smanje emisije CO₂. S obzirom na to da je hvatanje ugljika ključno za ublažavanje klimatskih promjena (posebno za sektore koje nije lako elektrificirati), MOF-ovi se široko smatraju probojem “čudesnog materijala” za dekarbonizaciju news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Nudeći veću učinkovitost i niže energetske gubitke, hvatanje ugljika temeljeno na MOF-ovima moglo bi omogućiti širu primjenu CCUS-a – važan most prema budućnosti s nultom neto emisijom dok se obnovljivi izvori energije šire. Ukratko, MOF-ovi pružaju moćan novi alat za upravljanje CO₂, od tvorničkih dimnjaka do otvorenog zraka, zbog čega ovo područje primjene ostaje najvažniji fokus u istraživanju i komercijalizaciji MOF-ova.
Skladištenje vodika i čista energija
Ako MOF-ovi mogu pomoći u uklanjanju ugljika iz naših sadašnjih energetskih sustava, također su spremni omogućiti čiste energetske nosače poput vodika u budućnosti. Vodik (H₂) je obećavajuće gorivo bez ugljika (izgaranjem nastaje samo voda), ali učinkovito skladištenje vodika veliki je izazov – H₂ je plin vrlo male gustoće, a njegovo komprimiranje ili ukapljivanje zahtijeva puno energije i teške spremnike. MOF-ovi nude način za skladištenje vodika u kompaktnom, sigurnom obliku putem adsorpcije. U osnovi, vodik se može pohraniti u pore MOF-a pri visokoj gustoći (posebno na nižim temperaturama), poput jaja u kutiji za jaja, i zatim otpustiti po potrebi. Ministarstvo energetike SAD-a i druge institucije postavile su ciljeve za materijale za skladištenje vodika (prema postotku mase i volumenu pohranjenog H₂), a određeni MOF-ovi su se približili ili premašili te ciljeve na kriogenim temperaturama.
U Europi je u tijeku koordinirani napor za iskorištavanje MOF-ova za skladištenje vodika. EU-financirani MOST-H2 projekt (pokrenut 2022.) razvija krio-adsorptivne sustave za skladištenje vodika koristeći napredne MOF-ove cordis.europa.eu. Kod krio-adsorpcije, vodik se hladi (obično na temperaturu tekućeg dušika, ~77 K) i adsorbira na porozni materijal, čime se postiže visoka gustoća bez ekstremnih tlakova. “Tajno oružje projekta je posebna klasa poroznih kristalnih materijala nazvanih MOF-ovi,” koje oblikuju u monolitne MOF adsorbense s optimalnom kombinacijom volumetrijskog i gravimetrijskog kapaciteta cordis.europa.eu. Do 2025. istraživači MOST-H2 projekta izvijestili su o “značajnom napretku” – kombinirali su AI-pokretano pretraživanje s eksperimentima kako bi identificirali nove MOF spojeve koji nadmašuju široko prihvaćene ciljeve za gravimetrijski i volumetrijski kapacitet skladištenja vodika cordis.europa.eu. Ova otkrića su zaštićena patentnim prijavama cordis.europa.eu, što naglašava njihovu inovativnost. U praksi, MOF prototipovi tima mogu gusto skladištiti vodik u kriogenim uvjetima, u materijalima koji su jednostavni i sigurni za rukovanje (bez izuzetno visokih tlakova) i imaju “vrlo mali utjecaj na okoliš” cordis.europa.eu. Krajnji cilj je integrirati ove MOF-ove u cjelovito “od laboratorija do spremnika” rješenje za skladištenje vodika za primjene poput vozila na vodikov pogon (projekt istražuje studije slučaja za vlakove na vodikov pogon u Austriji i Italiji) cordis.europa.eu.
Jedan značajan aspekt ovog napora je korištenje strojnog učenja za ubrzavanje otkrića. Projekt MOST-H2 razvio je AI alat za predviđanje koji bi MOF-ovi bili optimalni za pohranu vodika, stvarajući “robustnu bazu podataka materijala visokih performansi” i pokazujući kako računalne metode mogu preoblikovati razvoj MOF-ova cordis.europa.eu. Virtualnim pregledom više od 10.000 MOF struktura, a zatim testiranjem najboljih kandidata u laboratoriju, tim je uspio identificirati nekoliko vrhunskih materijala koje su odmah patentirali cordis.europa.eu. Ovakav pristup znatno smanjuje potrebu za pokušajima i pogreškama koji su inače tipični u istraživanju i razvoju materijala. Kao rezultat toga, MOF-ovi iz projekta na dobrom su putu da ispune ili premaše stroge ciljeve pohrane potrebne za praktične spremnike goriva, a pritom ostaju isplativi i stabilni kroz mnogo ciklusa cordis.europa.eu. Dizajn spremnika na bazi MOF-a također se optimizira naprednim modeliranjem prijenosa topline i mase te analizom životnog ciklusa, kako bi se osiguralo da se može povećati i integrirati u stvarna vozila cordis.europa.eu.
Izvan ovog projekta, drugi istraživači su pokazali MOF-ove sposobne za izvanrednu pohranu vodika. Na primjer, MOF-74 (poznata struktura) može apsorbirati više vodika nego bilo koji nespremnik pod tlakom na 77 K, što ukazuje na potencijal MOF-ova da uklone usko grlo u pohrani vodika innovations-report.com. Opća strategija je raditi na temperaturama blizu kriogenih – što možda zvuči energetski zahtjevno, ali tehnike poput pametne izolacije ili korištenja “besplatnog” hlađenja od isparavanja tekućeg vodika mogu to učiniti izvedivim. Dobitak bi bili lagani, visokokapacitetni spremnici za vodik za automobile, autobuse ili zrakoplove na gorivne ćelije koji ne zahtijevaju kompresiju od 700 bara ili izuzetno teške spremnike. Takvi spremnici mogli bi biti “baterije” za vodik u čvrstom stanju, gdje MOF granule sigurno drže vodik pri umjerenim tlakovima. Istraživači također istražuju MOF-ove za pohranu vodika na sobnoj temperaturi, iako još nijedan materijal ne ispunjava sve ciljeve DOE-a pri ambijentalnim uvjetima.
Ukratko, MOF-ovi su na čelu rješavanja dileme skladištenja vodika. Djeluju poput nano-spužvi koje gusto pakiraju molekule vodika adsorpcijom, omogućujući da više vodika stane u zadani volumen pri zadanom tlaku. Trenutni MOF-ovi u kombinaciji s kriogenim hlađenjem pokazali su rekordne kapacitete – u nekim slučajevima premašuju ono što tekući vodik može postići po volumenu – što bi moglo omogućiti vozilima na vodik da prijeđu veće udaljenosti s jednim spremnikom i brže se ponovno napune. S obzirom na globalni interes za vodik kao čisti izvor energije (za prijevoz, skladištenje energije i industriju), napredak poput spremnika temeljenih na MOF-ovima je ključan. Činjenica da se podnose patenti i financiraju višegodišnji projekti u EU i drugdje pokazuje povjerenje da će MOF-ovi igrati ključnu ulogu u gospodarstvu vodika. Kako je navedeno u jednom izvješću EU-a, ovi inovativni materijali obećavaju “jeftina, učinkovita i ekološki prihvatljiva rješenja za skladištenje vodika” za klimatske ciljeve Europe cordis.europa.eu – izjava koja ima odjeka diljem svijeta dok države ulažu u H₂ infrastrukturu.
Dostava lijekova i biomedicinske primjene
MOF-ovi nisu samo za energiju i okoliš – također izazivaju pažnju u biomedicini kao novi sustavi za dostavu lijekova i sredstva za snimanje. U farmaceutskom kontekstu, MOF-ovi mogu djelovati kao nanoskopski nosači za terapijske molekule. Ideja je da se lijek (koji može biti mala molekula, protein ili čak nukleinska kiselina) može učitati u pore MOF-a i zatim prenijeti kroz tijelo, zaštićen MOF-ovom strukturom. Porozni okvir ponekad može zaštititi lijek od prerane razgradnje, usmjeriti njegovo otpuštanje na određenu lokaciju ili omogućiti sporo, kontrolirano otpuštanje tijekom vremena. MOF-ovi se čak mogu dizajnirati da reagiraju na podražaje (poput pH ili svjetlosti) kako bi potaknuli otpuštanje lijeka po potrebi jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Ovo je rastuće područje istraživanja u nanomedicini.
Jedna prednost MOF-ova je njihova velika sposobnost opterećenja – zbog svoje ogromne površine, mogu nositi mnogo lijeka u odnosu na svoju težinu. Također, mnogi MOF-ovi mogu se izraditi od biokompatibilnih komponenti (npr. cinkovi ili željezni čvorovi s jestivim organskim kiselinama), što znači da se mogu razgraditi u netoksične nusproizvode u tijelu cas.org. Zapravo, neki MOF-ovi su prijateljski prema organizmu i biorazgradivi, što ih čini privlačnima za upotrebu u živim organizmima cas.org. Istraživači su skovali izraz “nano-MOF-ovi” za vrlo male MOF čestice (obično 50–200 nanometara) namijenjene za injekciju u krvotok ili isporuku u stanice axial.acs.org. Nekoliko ovih nano-MOF-ova napredovalo je do kliničkih ispitivanja za terapiju raka axial.acs.org – na primjer, kao nosači za lijekove kemoterapije ili za poboljšanje terapije zračenjem. Ovo pokazuje stvarni potencijal MOF-ova kao platforme u medicini.Nedavna studija iz 2024. pokazala je kako jednostavne kemijske prilagodbe mogu poboljšati učinkovitost MOF-a u isporuci lijekova. Znanstvenici sa Sveučilišta u Miamiju uzeli su dobro poznati MOF nazvan MIL-101(Cr) (okvir na bazi kroma s velikim porama) i učinkovito ga “napuhali” dodatnim korakom u sintezi acs.org. Obrađivali su MOF kristale s malo octene kiseline (slično octu) kako bi proširili veličinu pora s otprilike 2,5 nm na 5 nm, čime su povećali unutarnju površinu acs.org. Ove MOF čestice s “proširenim porama” zatim su napunili s dva modelna lijeka – ibuprofen (protuupalni lijek) i 5-fluorouracil (kemoterapijski lijek) – kako bi testirali kapacitet i kinetiku otpuštanja. Rezultati su bili upečatljivi: “Napuhani MOF-ovi zadržali su više ibuprofena ili kemoterapijskog lijeka u usporedbi s izvornom verzijom i imali su poboljšane performanse kao potencijalno sredstvo za isporuku lijekova.” acs.org Budući da su pore bile veće, više molekula lijeka moglo je stati unutra, a doista je modificirani MOF apsorbirao veću količinu oba lijeka nego nemodificirani MIL-101 acs.org. Štoviše, u eksperimentima otpuštanja, MOF s proširenim porama otpuštao je lijekove znatno brže nego izvorni, zbog većih otvora koji djeluju kao široka “vrata” za izlazak molekula acs.org. Brže otpuštanje može biti korisno za brzo postizanje terapijskih razina, dok bi se kontrolirano sporo otpuštanje moglo postići drugim modifikacijama. Istraživači ovu jednostavnu metodu ispiranja kiselinom vide kao način za podešavanje profila isporuke MOF-a za različite potrebe acs.org. Kako navode, “jednostavne promjene poput ovih mogle bi maksimizirati učinkovitost MOF-ova u budućim primjenama isporuke lijekova”, a u tijeku su istraživanja kako postići sporo, kontinuirano otpuštanje tijekom određenih vremenskih okvira prilagođavanjem strukture pora acs.org.Ovo je samo jedan primjer od mnogih. Druge studije su pokazale da MOF-ovi mogu prenositi kombinacije lijekova, štititi osjetljive biomolekule poput proteina ili RNA, pa čak i omogućiti ciljanu isporuku do tumora (priključivanjem ciljnih liganada na MOF). Budući da možete kombinirati različite metalne centre, istraživači su otkrili da izbor metala može utjecati na brzinu otpuštanja – na primjer, jedno istraživanje je pokazalo da MOF-ovi napravljeni s magnezijem otpuštaju testni lijek brže od onih napravljenih s cirkonijem, što sugerira da topljiviji metalni čvorovi dovode do brže razgradnje okvira i otpuštanja lijeka axial.acs.org. Takva saznanja usmjeravaju dizajn MOF-ova za “isporuku lijekova na zahtjev” i teranostiku (terapija + dijagnostika). Važno je napomenuti da MOF-ovi također mogu služiti kao kontrastna sredstva ili slikovni sondi; neki sadrže luminescentne lantanoide ili radioaktivne izotope za praćenje, a drugi pojačavaju MRI signale. Luminescentna svojstva određenih MOF-ova čak su omogućila biosenzore koji mogu detektirati biomarkere ili okolišne toksine promjenom fluorescencije cas.org – brišući granicu između isporuke lijekova i detekcije.
Ključno je da rane sigurnosne studije pokazuju da pravilno formulirani MOF-ovi mogu biti netoksični i biorazgradivi u tijelu cas.org. Na primjer, MOF-ovi napravljeni od željeza ili cinka s prehrambenim linkerima mogu se razgraditi u nutrijente ili izlučiti iz tijela. Ova biokompatibilnost, u kombinaciji s velikim kapacitetom za teret i svestranošću, dovela je stručnjake do toga da MOF-ove nazivaju “obećavajućom novom klasom pametnih nosača lijekova” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Iako još nijedan lijek na bazi MOF-a nije stigao na tržište, klinička ispitivanja koja su u tijeku sugeriraju da je to samo pitanje vremena. U bliskoj budućnosti, MOF nanočestice bi mogle isporučivati kemoterapiju izravnije u stanice raka, smanjujući nuspojave, ili djelovati kao “nano-protutrovi” koji apsorbiraju toksične tvari u tijelu. Istraživački zamah je snažan – jedan pregled je izbrojao desetke MOF sustava za isporuku lijekova za rak, HIV, dijabetes i više koji su u fazi istraživanja pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Ako ti napori uspiju, MOF-ovi bi mogli otvoriti novu eru precizne medicine, gdje liječenje nije samo stvar molekule lijeka, već i pametnog vozila koje ga prenosi.
Senzori i detekcija
Zahvaljujući svojoj podesivoj kemiji i često inherentnoj luminiscenciji, MOF-ovi su se pojavili kao snažne komponente u kemijskim senzorima. Mala promjena u strukturi MOF-a – primjerice, vezanje gostujuće molekule ili prijenos elektrona – može rezultirati detektabilnim optičkim ili električnim signalom. To čini MOF-ove izvrsnima za detekciju tragova spojeva u okolišu, hrani ili čak u ljudskom tijelu. Istraživači su stvorili senzore temeljene na MOF-ovima za širok raspon ciljeva: ione teških metala, eksplozive (poput para TNT-a), opasne industrijske plinove i biomarkere bolesti, da navedemo samo neke sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Jedan popularan pristup su luminiscentni MOF-ovi (često zvani LMOF-ovi). To su MOF-ovi koji prirodno fluoresciraju ili fosforesciraju, ili su dopirani fluorescentnim molekulama/metalnim ionima. Kada ciljni analit uđe u pore MOF-a, može uzrokovati promjenu luminiscencije – možda gašenje, pojačanje ili promjenu boje. Na primjer, određeni MOF-ovi koji sadrže lantanoide emitirat će jak signal koji se može selektivno ugasiti određenim kemikalijama, omogućujući detekciju tih kemikalija pri vrlo niskim koncentracijama pubs.rsc.org. Postoje MOF-ovi koji djeluju kao senzori koji se uključuju za metalne ione poput aluminija (svijetle samo kada se ion veže) pubs.acs.org, ili kao senzori koji mijenjaju boju za pH ili kisik. Budući da MOF-ovi imaju modularnu strukturu, dizajneri senzora mogu ugraditi prepoznajne lokacije izravno u okvir. Zamislite MOF koji ima džepove za vezanje savršeno prilagođene molekuli zagađivača – kada se zagađivač uhvati, pokreće prijenos elektrona ili energije koji prigušuje ili mijenja boju luminiscencije MOF-a. Takva specifičnost je vrlo cijenjena u detekciji.
Ključna prednost MOF senzora je što se mogu učiniti izuzetno osjetljivima i selektivnima, a pritom ostaju stabilni. MOF-ovi često mogu raditi u različitim okruženjima (neki su stabilni u vodi, za detekciju u vodenim uvjetima). Istraživači su čak razvili senzore temeljene na MOF-ovima koji mogu detektirati biomarkere u složenim tekućinama poput urina ili krvi filtriranjem i hvatanjem cilja u jednom koraku sciencedirect.com. Drugo uzbudljivo područje su elektrokemijski MOF senzori: vodljivi MOF-ovi ili kompoziti mogu generirati električni odgovor kada se adsorbira plin ili para, djelujući poput nove vrste “elektroničkog nosa” orcasia.org.
Važno je napomenuti da su mnogi MOF-ovi izrađeni od relativno bezopasnih komponenti, pa je njihova upotreba u potrošačkim ili biomedicinskim senzorima izvediva. Analitičar iz CAS-a je primijetio da MOF-ovi mogu biti izvrsni kao biosenzori jer su neki “nisko toksični i biorazgradivi”, osobito oni koji se koriste u detekciji temeljene na luminiscenciji cas.org. To znači da bi sonda premazana MOF-om jednog dana mogla biti korištena in vivo (unutar tijela) za praćenje stanja, ili bi MOF čestice mogle biti dio dijagnostičkog testa koji se sigurno otapa nakon upotrebe. Već su MOF senzori testirani za stvari poput toksičnih teških metala u vodi (pri čemu MOF fluorescira u prisutnosti žive ili olova) pubs.acs.org, kontaminanata hrane (pesticidi ili antibiotici koji uzrokuju promjenu emisije MOF-a) sciencedirect.com, pa čak i kao nosivi senzori za analizu daha.
Jedan primjer u razvoju je MOF-bazirani niz senzora za detekciju eksploziva i kemijskih ratnih agenasa. Korištenjem više MOF-ova, od kojih je svaki podešen da reagira na različite kemijske oblike, niz može proizvesti jedinstveni otisak za određenu tvar (slično kao što naš nos razlikuje mirise). Drugi primjer: istraživači su stvorili luminiscentni MOF senzor koji može brzo označiti pokvarenu hranu detekcijom aminskih para iz razgradnje mesa, pružajući promjenu boje kao indikator sciencedirect.com. Ova kreativna rješenja pokazuju kako MOF-ovi mogu doprinijeti javnom zdravlju i sigurnosti.
Ukratko, MOF-ovi donose visoku osjetljivost, mogućnost prilagodbe i stabilnost u tehnologiju senzora. U nekim slučajevima mogu detektirati molekule na razini dijelova na milijardu, a njihov odgovor može biti dizajniran tako da se lako očitava (promjena boje vidljiva golim okom ili promjena struje/napona za elektroničko očitavanje). Kako standardi za praćenje okoliša i sigurnost hrane postaju stroži, MOF senzori bi mogli pronaći široku primjenu zbog svoje kombinacije preciznosti i praktičnosti. Činjenica da se MOF-ovi mogu pretvoriti u tanke filmove ili praškove koji prekrivaju uređaje znači da je integracija u hardver senzora prilično izvediva. Tvrtke i istraživački laboratoriji diljem svijeta aktivno patentiraju dizajne MOF senzora cas.orgcas.org, što ukazuje da bismo uskoro mogli vidjeti komercijalne senzorske proizvode koji koriste MOF tehnologiju – od pametnih kuhinjskih senzora koji detektiraju kvarenje, do ručnih detektora za kvalitetu zraka i sigurnosne prijetnje. Ovo je dinamično područje gdje se kemija i inženjerstvo susreću, a MOF-ovi su na čelu omogućavanja da naš svijet postane mjerljiv i detektabilan u najsitnijim detaljima.
Prikupljanje vode i tehnologije za čistu vodu
Možda jedna od najfuturističkijih primjena MOF-ova – a ipak već demonstrirana u stvarnom životu – je izvlačenje pitke vode iz zraka. Prikupljanje vode iz atmosfere je tehnologija koja ima za cilj izdvajanje vlage iz zraka (čak i u suhim pustinjskim klimama) kako bi se osigurala svježa voda. Tradicionalni odvlaživači zraka ili mreže za maglu zahtijevaju relativno vlažan zrak ili puno energije. No, MOF-ovi su pokazali sposobnost hvatanja vode iz izuzetno suhog zraka (do 10–20% relativne vlažnosti) i zatim njezinog otpuštanja uz minimalan utrošak energije, što ih čini idealnima za generatore vode izvan mreže u područjima pogođenim sušom.
Koncept je osmislio profesor Omar Yaghi (izumitelj MOF-ova) i njegovi suradnici. Godine 2017. prvi su put izvijestili o MOF-u (MOF-801) koji je mogao prikupljati vodu iz pustinjskog zraka koristeći samo sunčevu energiju. Brzo naprijed do 2023., i tehnologija je znatno napredovala. Istraživači s UC Berkeleyja predstavili su ručni uređaj za prikupljanje vode pomoću MOF-ova koji je testiran u Dolini smrti – jednom od najsuših i najtoplijih mjesta na Zemlji. Uređaj, veličine malog ruksaka i potpuno napajan ambijentalnim sunčevim svjetlom, više je puta ciklusirao kako bi noću hvatao vodu, a danju je otpuštao kao tekućinu. “Ova testiranja pokazala su da uređaj može osigurati čistu vodu bilo gdje,” izvijestio je tim, nazivajući ga hitnim rješenjem jer “klimatske promjene pogoršavaju uvjete suše.” cdss.berkeley.edu Uređaj na bazi MOF-a mogao je izvući vlagu iz zraka s vlažnošću od samo 10% i proizvesti do 285 grama vode po kilogramu MOF-a dnevno na terenu cdss.berkeley.edu. (~285 g je otprilike jedna šalica vode; laboratorijska ispitivanja pod idealnim uvjetima daju i više.) Impresivno, to je postignuto koristeći bez vanjskog izvora energije osim sunčeve svjetlosti, što znači nula emisija stakleničkih plinova ili potrebne električne energije cdss.berkeley.edu. Ovo je moguće jer MOF najprije adsorbira vodenu paru iz hladnog noćnog zraka; zatim ga dnevno sunce zagrijava, uzrokujući otpuštanje vode u obliku pare koja se kondenzira u tekućinu u sakupljaču. MOF može raditi mnogo ciklusa bez gubitka performansi i može se regenerirati jednostavnim sušenjem, što ga čini robusnom “spužvom za vodu” za dugotrajnu upotrebu cdss.berkeley.edu.
MOF korišten u najnovijem uređaju je aluminijska mreža (nazvana MOF-303) koja ima snažnu afinitet prema vodi, ali je također otpušta na umjerenim temperaturama (~80 °C). Ovaj MOF je odabran zbog svoje iznimne učinkovitosti: može prikupljati vodu čak i u iznimno suhim uvjetima i stabilan je tijekom tisuća ciklusa businesswire.com. Zapravo, MOF-303 je uspješno testiran u Dolini smrti, čime je potvrđena njegova praktična upotreba u ekstremnim okruženjima businesswire.com. Tijekom testiranja, uređaj je postigao povrat vode od oko 85–90% adsorbirane vode u svakom ciklusu cdss.berkeley.edu, što znači da je vrlo malo uhvaćene vlage izgubljeno. Dr. Yaghi, koji je vodio studiju objavljenu u Nature Water (srpanj 2023.), istaknuo je važnost: “Gotovo jedna trećina svjetske populacije živi u područjima s nedostatkom vode. UN predviđa da će do 2050. gotovo 5 milijardi ljudi iskusiti nestašicu vode… Ovo je vrlo važno za iskorištavanje novog izvora vode.” cdss.berkeley.edu Korištenjem ogromnog rezervoara vode u atmosferi (čak i pustinje imaju nešto vlage u zraku), MOF uređaji nude primamljiv novi izvor vode koji je decentraliziran i održiv. Za razliku od velikih postrojenja za desalinizaciju (koja zahtijevaju električnu energiju i morsku vodu), MOF sakupljač može biti osobni ili uređaj za razinu sela koji radi bilo gdje gdje ima zraka i sunčeve svjetlosti.Komercijalni napori su sada u tijeku kako bi se povećala proizvodnja MOF uređaja za prikupljanje vode. Nekoliko startupa, često u suradnji sa sveučilištima, unapređuje ovu tehnologiju. Prema nedavnom izvješću o tržištu, tvrtke poput Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule i Transaera koriste vrhunska svojstva MOF-ova za adsorpciju vode kako bi izgradili sustave za hlađenje i dobivanje vode nove generacije businesswire.com. Ovi sustavi navodno mogu proizvesti do 0,7 litara vode po kilogramu MOF-a dnevno čak i u suhim uvjetima businesswire.com – otprilike dvostruko više od prvih prototipova – zahvaljujući poboljšanim materijalima i dizajnu. Transaera, na primjer, ugrađuje MOF-ove u ultra-učinkovite klima uređaje koji ne samo da hlade zrak, već i skupljaju vodu kao dodatnu korist (Transaera je bila finalist Global Cooling Prize natjecanja). Drugi projekt, AQUAml (povezan s MIT-om), koristi MOF-ove za osobne boce za vodu koje se pune iz vlage u zraku. Činjenica da MOF-ovi mogu raditi pri niskoj vlažnosti također znači da se mogu koristiti za pasivnu dehumidifikaciju u HVAC sustavima, čineći hlađenje učinkovitijim sušenjem zraka bez kondenzacijskih zavojnica cas.org.
MOF uređaj za prikupljanje vode izvrstan je primjer kako ti materijali mogu odgovoriti na humanitarne potrebe i prilagodbu klimatskim promjenama. U područjima s kontaminiranim izvorima vode, MOF uređaji mogli bi osigurati sigurnu pitku vodu uz minimalnu infrastrukturu. Također se mogu modularno skalirati – možete rasporediti stotine MOF jedinica za podršku zajednici ili jednu jedinicu za obitelj. Istraživači čak zamišljaju boce za vodu koje se same pune za planinare i generatore vode za vojnike na terenu, sve pokretane MOF-ovima i sunčevom energijom. Iako su trošak i skaliranje proizvodnje sljedeće prepreke, dosadašnji napredak je izuzetno obećavajući. Kako je jedan članak duhovito primijetio, MOF-ovi koji omogućuju uređaje za dobivanje vode iz zraka čine da se to doima kao “kemija na granici magije”, pretvarajući nešto tako neopipljivo kao što je zrak u jedan od najvažnijih životnih resursa. Kako klimatske promjene čine suše sve češćima, takve tehnologije mogle bi biti prekretnica za sigurnost opskrbe vodom i inspirativna primjena naprednih materijala za društveno dobro.
Ostale nove primjene (kataliza, baterije i drugo)
Osim gore navedenih glavnih primjena, MOF-ovi pokazuju svoju svestranost u mnogim drugim područjima. Njihova velika površina, mogućnost prilagodbe i sposobnost ugradnje aktivnih metala ili funkcionalnih skupina čine ih idealnima za katalizu – ubrzavanje kemijskih reakcija. MOF-ovi mogu služiti kao katalizatori sami po sebi ili kao prekursori katalitičkih materijala. Na primjer, MOF-ovi s otvorenim metalnim mjestima korišteni su za katalizu pretvorbe CO₂ u goriva, a materijali dobiveni iz MOF-ova (poput ugljičnih okvira koji zadržavaju metal iz MOF-a) pokazali su izvrsne performanse u elektrokatalizi (npr. za redukciju kisika u gorivim ćelijama) cas.org. Jedno istraživanje otkrilo je da su ugljikove nano-cijevi dopirane dušikom, dobivene iz MOF-a, imale “poboljšanu elektrokatalitičku aktivnost i stabilnost” za elektrolizu vode u usporedbi sa standardnim katalizatorima cas.org. Mogućnost dizajniranja atomske strukture katalizatora putem MOF-ova (ponekad nazvana “nano-lijevanje”) vrlo je privlačna u zelenoj kemiji i industrijskim procesima.
MOF-ovi se također istražuju u uređajima za pohranu energije. Znanstvenici testiraju MOF-ove kao materijale za elektrode u litij-ionskim baterijama, gdje porozna struktura može prihvatiti litijeve ione i potencijalno poboljšati kapacitet ili brzinu punjenja cas.org. Neki MOF-ovi (ili njihovi derivati) istraženi su kao materijali za superkondenzatore za brzo skladištenje energije cas.org. Iako su većina MOF-ova izolatori, pojavila se nova podskupina vodljivih MOF-ova koji mogu prenositi elektrone i mogli bi se koristiti u elektronici ili senzorima. Postoje čak i MOF-ovi s intrinzičnim magnetskim ili feroelektričnim svojstvima koji se proučavaju za napredne funkcionalne uređaje.
Još jedno područje inovacija s MOF-ovima je odvajanje i pročišćavanje plinova u kemijskoj industriji. Dotaknuli smo se hvatanja ugljika, ali MOF-ovi mogu ciljati i druga zahtjevna odvajanja – primjerice, izdvajanje propena iz propana (ključni korak u proizvodnji plastike) ili uklanjanje nečistoća iz prirodnog plina. Tvrtke poput UniSieve razvile su membrane na bazi MOF-ova koje djeluju poput molekularnih sita, postižući energetski učinkovita odvajanja. U jednom slučaju, MOF-membrana je uspjela odvojiti propen do 99,5% čistoće od propana businesswire.com, nudeći potencijalno niskoenergetsku alternativu destilaciji (koja inače troši ogromne količine energije za takva odvajanja). Slično, MOF-filtri se istražuju za recikliranje rashladnih sredstava, pročišćavanje industrijskih otapala, pa čak i za sanaciju nuklearnog otpada (zarobljavanje radioaktivnog joda ili ksenona).
Na području elektronike i senzora, istraživači su izradili MOF-ove tanke filmove koji su selektivni za određene plinove, potencijalno za stvaranje novih vrsta plinskih senzora ili čak membrana za gorivne ćelije. Sanacija okoliša je još jedna niša – MOF-ovi mogu uhvatiti zagađivače poput PFAS-a (“vječne kemikalije”) iz vode zahvaljujući svojoj podesivoj adsorpciji, a neki fotokatalitički MOF-ovi mogu razgraditi organske zagađivače pod svjetlom.Na kraju, MOF-ovi imaju i neke zaigrane, ali intrigantne potencijalne primjene: što kažete na MOF tkanine koje upijaju mirise ili kemijske agense (za zaštitnu odjeću)? Ili MOF premaze u hladnjacima za upijanje etilena i dulje očuvanje svježine hrane? Sve se te ideje testiraju. Zaključak je da MOF-ovi predstavljaju platformski materijal: baš kao što su polimeri ili silicij pronašli bezbroj primjena, MOF-ovi su švicarski nožić u svijetu materijala. Kako je naveo jedan tržišni analitičar, “Izuzetna svojstva MOF-ova – uključujući rekordno velike površine, podesive pore i prilagodljivu kemiju – omogućuju rješenja za neke od najhitnijih izazova društva.” businesswire.com Od čistog zraka i vode do čiste energije i zdravlja, MOF-ovi ostavljaju trag u širokom spektru inovacija.
Globalni krajolik: istraživanje, patenti i komercijalizacija diljem svijeta
Uzbuđenje oko MOF-ova je zaista globalno. Nakon početnih proboja u SAD-u (rad profesora Yaghija na UC Berkeley i UCLA) i Japanu (neovisna otkrića MOF-ova profesora Susumua Kitagawe u Kyotu), istraživanje se brzo proširilo Sjevernom Amerikom, Europom, Azijom i dalje. Sjedinjene Američke Države ostaju središte inovacija u području MOF-ova, s vodećim sveučilištima (Berkeley, MIT, Northwestern itd.), nacionalnim laboratorijima i tvrtkama koje pomiču granice. Nekoliko američkih startupa, često proizašlih iz akademskih laboratorija, komercijalizira MOF-ove: NuMat Technologies (Illinois) fokusira se na skladištenje plinova i čak je prodavao boce za plin opremljene MOF-ovima (ION-X) koje pohranjuju toksične plinove za industriju poluvodiča na sigurniji, subatmosferski način businesswire.com. NuMat također izvještava o proizvodnom kapacitetu od ~300 tona/godini MOF-ova u svojim pogonima businesswire.com. Mosaic Materials u Kaliforniji (spomenut ranije za hvatanje CO₂) i Transaera (Massachusetts, za hlađenje) su drugi značajni američki poduhvati. Industrijski div BASF u Njemačkoj bio je jedan od prvih koji je značajno ulagao u MOF-ove; povećao je proizvodnju MOF-ova tijekom 2010-ih (proizvodeći MOF na bazi bakra u količinama od nekoliko tona) i sada ima godišnji kapacitet od nekoliko stotina tona u Ludwigshafenu businesswire.com. BASF-ov MOF (prodaje se pod imenom Basolite) koristi se čak i u nekim komercijalnim proizvodima, poput vrhunskog energetski učinkovitog izolacijskog stakla i kemijskih filtera. Europa ima snažnu akademsku mrežu za MOF-ove (npr. EU organizira konferencije poput EuroMOF), a Europska unija financirala je projekte poput MOST-H2 (skladištenje vodika) i AMADEUS (skladištenje amonijaka pomoću MOF-ova) kako bi ubrzala primijenjena istraživanja.
Kina se pojavila kao plodan doprinositelj znanosti o MOF-ovima u posljednjem desetljeću. Zapravo, prema metrikama objavljivanja, kineski istraživači čine veliki dio novih radova i patenata o MOF-ovima – u područjima od hvatanja ugljika do dostave lijekova. Jedna bibliometrijska studija navodi da “Kina je dala značajan doprinos i drži vodeću poziciju u MOF-ovima u istraživanju raka” pmc.ncbi.nlm.nih.gov, kao jedan primjer. Glavne kineske institucije poput Sveučilišta Jilin, Sveučilišta Nankai i Kineske akademije znanosti imaju posvećene MOF centre koji istražuju sve od MOF-baterija do katalizatora za pretvorbu CO₂ u gorivo. Vladina inicijativa za postizanje ugljične neutralnosti do 2060. godine potaknula je interes za MOF-ove u tehnologijama dekarbonizacije. Iako Kina možda još nema toliko MOF startupa poznatih na globalnoj razini, ima snažnu suradnju industrije i akademije. Posebno, Kina prednjači u MOF-baziranom skladištenju metana za vozila (područje u kojem bi spremnici ispunjeni adsorbensom mogli omogućiti vozilima na prirodni plin da drže više goriva pod nižim tlakom) i istražuje MOF-ove za hvatanje industrijskih emisija u sklopu svojih nacionalnih CCUS programa.
I druge regije su također aktivne: Japan nastavlja doprinositi (s istraživanjima pionira poput Kitagawe i novijim radom na vodljivim MOF-ovima), Južna Koreja ima tvrtke poput framergy (koja surađuje s međunarodnim grupama na komercijalizaciji MOF-ova), a Australija je dom ARC Centra izvrsnosti za znanost o eksitonima koji proučava MOF-ove za detekciju i fotokatalizu. Na Bliskom istoku, KAUST iz Saudijske Arabije je središte istraživanja MOF-ova (podnijeli su patente za hvatanje ugljika pomoću MOF-ova, kako je navedeno) cas.org, a zemlje poput Ujedinjenih Arapskih Emirata i Katara zainteresirane su za MOF-ove za desalinizaciju vode i odvajanje plinova, u skladu sa svojim potrebama.
Važno je napomenuti da razvoj MOF-a više nije ograničen na laboratorij. Patenti i komercijalni proizvodi su u porastu. Analiza Chemical Abstracts Service iz kasne 2024. godine istaknula je da, iako su MOF publikacije doživjele procvat, “rast broja patentnih publikacija sugerira da je šira komercijalizacija ove tehnologije neizbježna.” cas.org Posebno je CAS zabilježio značajnu patentnu aktivnost u aplikacijama vezanim uz dekarbonizaciju (hvatanje ugljika, energija, skladištenje plinova) te također u područjima poput čiste vode i senzora cas.org. Ovo ukazuje na to da tvrtke i instituti štite inovacije temeljene na MOF-u dok se pripremaju za primjenu u stvarnom svijetu. Do 2024. godine, samo je nekoliko proizvoda s MOF-om bilo potpuno komercijalizirano businesswire.com – primjeri uključuju Svanteove CO₂ filtre, NuMatove spremnike za plin, neke nišne uređaje za pročišćavanje zraka i liniju MOF paketa za kontrolu vlage. No, čini se da smo na prekretnici. “Globalno MOF tržište trenutno prolazi kroz kritičnu tranziciju iz akademskog istraživanja u industrijsku primjenu,” navodi izvješće ResearchAndMarkets, koje predviđa da će industrija rasti oko 30% godišnje ubuduće businesswire.com. Do 2035. godine, MOF aplikacije bi mogle postati tržište vrijedno više milijardi dolara, posebno potaknuto hvatanjem ugljika, skladištenjem vodika, prikupljanjem vode i kemijskim separacijama businesswire.com.
Proizvodna strana također raste: oko 50 tvrtki diljem svijeta sada proizvodi MOF-ove, iako je velik dio kapaciteta koncentriran kod nekoliko igrača (poput BASF-a i NuMat-a) businesswire.com. Izazovi s kojima se suočavaju uključuju povećanje proizvodnje s laboratorijskih grama na industrijske tone uz održavanje kvalitete, i to na isplativ način businesswire.com. Ohrabrujuće je što se napredak ostvaruje – troškovi padaju kako se tehnike poboljšavaju, a tvrtke su razvile metode kontinuirane proizvodnje (za razliku od spore serijske sinteze) kako bi proizvodile MOF-ove u većim količinama businesswire.com. Na primjer, Promethean Particles u Ujedinjenom Kraljevstvu koristi protočni reaktor za proizvodnju MOF-ova i drugih nanomaterijala, a novoMOF u Švicarskoj nudi ugovornu proizvodnju MOF-ova u velikim razmjerima. Ovi razvojni pomaci upućuju na to da će, ako se pojavi velika potražnja (recimo, tisuće tona za jedinice za hvatanje ugljika), opskrbna strana biti spremna odgovoriti na nju.Međunarodna suradnja također je vidljiva: znanstvenici iz različitih zemalja često su koautori MOF radova, a postoje i globalne konferencije (npr. MOF2023 u Melbourneu, MOF2024 u Vancouveru) koje okupljaju zajednicu. To pomaže u širenju najboljih praksi i izbjegavanju dupliciranih napora s obzirom na golemi kemijski prostor MOF-ova.
Izgledi: Zašto su MOF-ovi važni za održivu budućnost
Kao što smo vidjeli, MOF-ovi se nalaze na sjecištu napredne znanosti o materijalima i rješavanja stvarnih problema. Često se nazivaju “promjenom igre” za održivost jer omogućuju procese koji su prije bili neizvedivi ili neučinkoviti. Hvatanje ugljika je izvrstan primjer – smanjenjem energetske zahtjevnosti uklanjanja CO₂, MOF-ovi bi mogli omogućiti širu primjenu hvatanja ugljika u elektranama i tvornicama, značajno smanjujući emisije stakleničkih plinova. Skladištenje čiste energije je još jedan primjer: MOF-ovi bi napokon mogli učiniti vodik (i možda druge plinove poput metana) praktičnim kao čistim gorivima rješavajući problem skladištenja. U području čiste vode, MOF-ovi doslovno stvaraju vodu iz zraka ili jeftino pročišćuju vodu, rješavajući nestašicu i zagađenje bez velike infrastrukture. U zdravstvu, MOF-ovi donose nadu za ciljanu dostavu lijekova i osjetljivu dijagnostiku, potencijalno spašavajući živote pametnijim terapijama. I u industrijskoj kemiji, MOF-ovi nude energetski učinkovitije procese separacije i katalize, što bi moglo smanjiti ugljični otisak proizvodnje svakodnevnih kemikalija.
Rijetko se događa da jedna klasa materijala utječe na toliko sektora – i zato se MOF-ovi često uspoređuju sa “sljedećim silicijem” ili “sljedećom plastikom” po transformacijskom potencijalu. Oni predstavljaju novi način izgradnje materijala od temelja s preciznošću (zbog čega ih uspoređuju s LEGO kockicama ili Tinkertoys na molekularnoj razini). Ovakav pristup retikularnog dizajna bio je uglavnom teorijski prije nekoliko desetljeća; sada je to praktičan alat koji prihvaćaju kemičari i inženjeri diljem svijeta.
Stručnjaci vjeruju da smo na pragu da MOF-ovi iz laboratorijskih zanimljivosti postanu sveprisutni radni materijali ugrađeni u razne tehnologije. “Sa svim svojim potencijalnim primjenama, MOF-ovi pokreću važne proboje u nekim od naših najizazovnijih znanstvenih područja,” napisao je jedan analitičar ACS-a, dodajući da poboljšanja u AI-u i strojnom učenju ubrzavaju selekciju MOF-ova, “što znači da bi još više napretka i komercijalnih primjena moglo biti blizu.” cas.org Vremenski okvir za ulazak MOF-ova na tržište već se skraćuje: dok je prvi MOF napravljen 1995., trebalo je do 2020-ih da se pojave prve komercijalne primjene, ali bismo u sljedećih nekoliko godina mogli vidjeti desetke proizvoda koji koriste MOF-ove. Industrijski divovi to primjećuju – naftne i plinske kompanije razmatraju MOF-ove za čišće procese, tehnološke tvrtke gledaju MOF-ove za filtere zraka u podatkovnim centrima, a automobilske kompanije su zainteresirane za MOF spremnike za vodik i CO₂ filtere za zrak u kabini.
Globalno, podrška za istraživanje i primjenu MOF-a usklađena je s hitnim prioritetima poput klimatske akcije, održivog razvoja i napredne proizvodnje. Vlade i investitori financiraju MOF startupe i pilot projekte, prepoznajući da bi ti materijali mogli njihovoj zemlji dati konkurentsku prednost u čistim tehnologijama. U SAD-u i Europi, MOF-ovi su dio planova za hvatanje ugljika i skladištenje vodika. Najnoviji kineski petogodišnji planovi naglašavaju nove materijale i održivost – područja koja su upravo u fokusu MOF-ova. Uključene su i međunarodne organizacije: na primjer, hvatanje ugljika pomoću MOF-a istaknuto je na nedavnim CCUS konferencijama decarbonfuse.com, a prikupljanje vode pomoću MOF-a popratili su mediji poput BBC i Scientific American, čime su ove inovacije došle u središte pozornosti javnosti.
Naravno, izazovi i dalje postoje. Troškovi proizvodnje i skalabilnost zahtijevaju daljnja poboljšanja (iako, kao što je navedeno, na tom području se bilježi značajan napredak businesswire.com). Dugoročna stabilnost MOF-ova u stvarnim uvjetima (izloženost nečistoćama, višekratni ciklusi) mora se dokazati za svaki slučaj posebno. Svaka primjena mora se suočiti i s konkurencijom drugih tehnologija (na primjer, može li hvatanje ugljika pomoću MOF-a nadmašiti nove sustave otapala ili membrane? Mogu li MOF uređaji za prikupljanje vode biti bolji od tradicionalne desalinizacije u velikim razmjerima?). Na ta će pitanja odgovoriti demonstracijski projekti i ekonomske analize u narednim godinama. Prvi znakovi su ohrabrujući: tamo gdje MOF-ovi briljiraju, oni doista briljiraju – nudeći mogućnosti koje alternative ne mogu nadmašiti (npr. nijedan drugi materijal ne može tako učinkovito hvatati vodu pri 10% vlažnosti zraka ili pohraniti toliko vodika u tako laganom obliku).
Zaključno, MOF-ovi ilustriraju snagu kemijske inovacije za rješavanje globalnih izazova. Počeli su kao znanstvena znatiželja u kemijskim laboratorijima, a razvili su se u platformu s potencijalom da industriju učine čišćom, energiju održivijom, a resurse poput vode dostupnijima. Svjetski napor za razvoj MOF-ova – od američkih startupa do kineskih sveučilišta, europskih istraživačkih konzorcija do bliskoistočnih laboratorija – naglašava zajednički optimizam u ove materijale. Kako je jedan izvještaj sažeo, MOF-ovi “prelaze iz znanstvene znatiželje u komercijalnu stvarnost,” rješavajući probleme u hvatanju ugljika, vodi, energiji i više businesswire.com. Ako se trenutni trendovi nastave, MOF-ovi bi uskoro mogli tiho raditi u pozadini mnogih aspekata svakodnevnog života, pomažući ostvariti zeleniji i napredniji svijet. Sljedeći put kad popijete gutljaj vode u pustinji, vozite automobil na vodik ili udišete čišći zrak u gradu, metal-organski okvir možda je upravo dio razloga zašto.
Izvori: Najnovija istraživanja i stručni komentari o MOF-ovima preuzeti su iz vodećih znanstvenih časopisa, sveučilišnih priopćenja za medije i industrijskih izvješća, uključujući 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 priopćenja businesswire.com, CORDIS (EU) cordis.europa.eu, i tržišne analize businesswire.com, među ostalima. Ovi izvori ističu konsenzus da su MOF-ovi revolucionarna platforma u znanosti o materijalima, s brzo rastućim utjecajem u stvarnom svijetu.
