- МОФы обладают рекордной в мире внутренней поверхностью до примерно 7 000 м^2 на грамм, а теоретические конструкции — до 14 600 м^2/г.
- За примерно 20 лет исследователи создали почти 90 000 уникальных структур МОФ, а теория предсказывает еще сотни тысяч.
- МОФы — это пористые кристаллические сети, построенные из металлических узлов и органических связующих, формирующие настраиваемую 3D-решетку, которая действует как молекулярная губка.
- CALF-20, цинксодержащий МОФ, способен удерживать около одной тонны CO2 в день на кубический метр в промышленных условиях.
- ZnH-MFU-4l — это прорывной МОФ для улавливания CO2 при высокой температуре, который избирательно связывает CO2 из горячих дымовых газов при около 300°C, улавливая более 90 процентов CO2.
- DCF-1, запущенный компанией Decarbontek в середине 2025 года, — это недорогой МОФ из оксида цинка и лимонной кислоты, стоимость которого на полномасштабном производстве составит около 10 долларов за килограмм.
- Svante тестирует систему сорбента МОФ CALF-20 на цементном заводе, способную улавливать около 1 тонны CO2 в день.
- MOF-303, алюминиевый МОФ для сбора воды, позволил создать портативный сборщик в Долине Смерти в 2023 году, который восстанавливал около 85–90% адсорбированной воды, обеспечивая до 285 граммов на килограмм в день.
- Проект ЕС MOST-H2, запущенный в 2022 году, использует ИИ для отбора МОФов для хранения водорода; к 2025 году сообщалось о прогрессе: было отобрано более 10 000 структур и прототипы соответствовали целям DOE при криогенных условиях.
- MIL-101(Cr) может быть расширен по порам с примерно 2,5 нм до 5 нм с помощью обработки уксусной кислотой, что позволяет загружать больше ибупрофена и 5-фторурацила и ускоряет их высвобождение.
Переломный момент в области передовых материалов и устойчивого развития
Представьте себе материал с такой огромной внутренней площадью поверхности, что в щепотке его содержится эквивалент шести футбольных полей news.berkeley.edu. Такие металло-органические каркасы (MOF) — это пористые кристаллические соединения, состоящие из металлических узлов, соединённых органическими линкерами, образуя губкообразные сети на молекулярном уровне. Учёные называют MOF «почти безграничными возможностями» для создания индивидуальных структур с заданными свойствами cas.org. За последние 20 лет исследования MOF резко возросли — создано почти 90 000 уникальных структур MOF (и ещё сотни тысяч предсказаны теоретически) cas.org. Такой рост обусловлен надеждой, что MOF помогут решить важнейшие задачи в области устойчивого развития и технологий. От улавливания углекислого газа, вызывающего потепление климата, и хранения чистого водородного топлива до доставки лекарств и сбора воды из пустынного воздуха — MOF готовы обеспечить прорывы в таких областях, как энергетика, экология и биомедицина cas.orgcas.org. В этом обзоре мы объясним что такое MOF, как они работают и производятся, и почему их считают революционными. Мы рассмотрим основные области применения — включая улавливание углерода, хранение водорода, доставку лекарств, сенсоры и сбор воды — выделяя последние научные достижения, реальные внедрения и экспертные мнения. Изучая мировую картину (США, ЕС, Китай и другие) и новейшие разработки, мы увидим, почему MOF считаются прорывными материалами для более устойчивого будущего.
Что такое MOF? Пористые кристаллы с рекордной площадью поверхности
Металлоорганические каркасы (MOFs) — это необычный класс материалов, собранных по принципу молекулярных конструкторов. Они состоят из ионов металлов или кластеров, которые выступают в роли узлов, соединённых между собой органическими молекулами (лигандов), выполняющими функцию распорок. Эти компоненты самособираются в открытую, похожую на клетку кристаллическую решётку — по сути, формируя трёхмерную пористую сеть, удерживаемую координационными связями cas.org. В результате получается кристаллическая губка: MOFs обладают чрезвычайно высокой пористостью и площадью поверхности, что означает, что их внутреннее пространство заполнено множеством крошечных полостей и каналов, в которые могут проникать другие молекулы. На самом деле, MOFs удерживают мировой рекорд по площади поверхности среди материалов — некоторые достигают ~7 000 м² на грамм, а теоретические конструкции — до 14 600 м²/г cas.org. Для сравнения, всего одна столовая ложка типичного MOF может иметь внутреннюю площадь, сопоставимую с несколькими футбольными полями, предоставляя обильное пространство для адсорбции газов или других молекул news.berkeley.edu.
Именно эта огромная внутренняя поверхность и настраиваемая пористая структура делают MOFs такими особенными. Заменяя металлические узлы или органические связки, химики могут создавать различные MOFs с заданными размерами, формой пор и химическими свойствами cas.org. Возможны практически любые комбинации — один из пионеров этой области, профессор Омар Яги (впервые синтезировавший MOFs в 1990-х), отмечал, что созданы десятки тысяч MOFs, а “сотни тысяч” ещё предсказываются алгоритмами cas.org. Такая модульная “ретикулярная” стратегия проектирования позволяет учёным практически создавать материалы на заказ: например, MOF можно сконструировать так, чтобы он предпочитал захватывать молекулы CO₂ или светился в присутствии токсина — просто выбрав соответствующие строительные блоки. Обратная сторона такого разнообразия — это сложность: при таком количестве возможных структур бывает трудно предсказать, какой MOF лучше всего подойдёт для конкретной задачи cas.org. (Исследователи всё чаще используют ИИ и машинное обучение для анализа баз данных MOF и поиска наиболее перспективных кандидатов — к этому вопросу мы ещё вернёмся позже cas.org.)
Вкратце, MOF — это как ультратонкая губка или каркас на наноуровне. Он состоит из неорганических и органических компонентов, соединённых в повторяющуюся решётку, в результате чего получается твёрдый материал, который по большей части представляет собой пустое пространство. Эти пустые поры могут вмещать молекулы-гости. Важно, что MOF обычно остаются прочными даже после удаления их первоначальных растворителей «гостей» — пустой каркас остаётся целым и пористым, готовым адсорбировать новые молекулы и высвобождать их при определённых условиях en.wikipedia.org. Эта обратимая способность поглощать и высвобождать вещества является ключевой для таких применений, как хранение газов и доставка лекарств. Как объясняет доктор Кёртис Карш, химик из Калифорнийского университета в Беркли: «Благодаря своей уникальной структуре, MOF имеют высокую плотность участков, где можно захватывать и высвобождать CO₂ при соответствующих условиях» news.berkeley.edu — а также захватывать и высвобождать другие молекулы. По сути, MOF предлагают беспрецедентное сочетание высокой ёмкости (благодаря огромной поверхности), настраиваемости (путём химического проектирования) и обратимости, что делает их мощной платформой в материаловедении.
Как создаются MOF и как они работают?
Синтез MOF часто проще, чем может показаться по его сложной структуре. Обычно учёные растворяют источник металла (например, металлическую соль) и органическую молекулу-связку в растворителе, затем стимулируют образование кристаллов медленным перемешиванием, нагреванием или испарением. Ионы металла и связки самопроизвольно координируются и кристаллизуются в упорядоченный каркас — выращивая кристалл MOF примерно так же, как кристаллы сахара осаждаются из сахарного раствора, только на молекулярном уровне. Многие MOF получают с помощью сольвотермальных методов (нагревание компонентов в закрытом сосуде), хотя новые техники включают микроволновый синтез, распылительную сушку и даже механохимическое измельчение без растворителя. Примечательно, что MOF часто способны к самосборке при относительно мягких условиях. Например, недавно созданный MOF для улавливания углерода под названием DCF-1 синтезируется простым смешиванием оксида цинка с лимонной кислотой в воде — «безопасный, экологичный и патентуемый метод», который позволяет получить высокоэффективный MOF дёшево businesswire.com. Это иллюстрирует, как исследователи совершенствуют методы производства, чтобы снизить затраты и избежать использования агрессивных химикатов. Кристаллы MOF могут иметь размеры от нанометров до миллиметров, и обычно их превращают в порошки или формуют в гранулы и мембраны для практического применения.
Как работают МОФы сводится к адсорбции и селективности. Их поры действуют как крошечные камеры хранения или ловушки для молекул. Когда МОФ подвергается воздействию газа или жидкости, целевые молекулы могут проникать в поры и прилипать к внутренним поверхностям (за счет сил Ван-дер-Ваальса, химических взаимодействий в определённых участках и т.д.). Поскольку МОФы имеют огромную внутреннюю площадь поверхности и часто химические группы, связывающие определённые молекулы, они могут поглощать поразительные количества. Например, один МОФ (CALF-20, структура на основе цинка) способен удерживать около одной тонны CO₂ в день на кубический метр материала в промышленных условиях businesswire.com – по сути, действуя как гигантская губка для углекислого газа. Однако адсорбция обычно обратима: изменяя условия (нагревая МОФ, понижая давление или продувая другим газом), захваченные молекулы высвобождаются (десорбируются), и МОФ регенерируется для нового цикла news.berkeley.edu. Этот циклический процесс захвата и высвобождения крайне важен для таких применений, как улавливание углекислого газа или хранение газов, где МОФ должен использоваться многократно. В примере с улавливанием CO₂, когда МОФ насыщается CO₂, «CO₂ можно удалить, понизив его парциальное давление – либо продув другим газом, либо создав вакуум. После этого МОФ готов к повторному использованию в новом цикле адсорбции» news.berkeley.edu.
Внутренняя химия каждого МОФа может быть настроена так, чтобы предпочитать одни молекулы другим, что делает их высокоселективными. Некоторые МОФы имеют открытые металлические центры или функциональные группы в порах, которые действуют как крючки для определённых газов. Другие украшены молекулами (например, аминами или медными центрами), которые реагируют с целевым веществом (например, CO₂). Эта настраиваемость — большое преимущество: в отличие от традиционных пористых материалов (например, активированного угля или цеолитов) с фиксированными свойствами, МОФы можно проектировать индивидуально. «Именно их настраиваемые свойства — ключевой фактор», отмечается в отчёте CAS Insights, «высокая удельная поверхность и пористость в сочетании с регулируемой химией дают МОФам возможность адсорбировать газы и летучие соединения, вызывая огромный интерес к их применению в разделении и хранении газов, особенно CO₂» cas.org. Проще говоря, МОФы работают, селективно улавливая молекулы в своих наноскопических порах — подобно ситу или фильтру, сделанному из молекул, — и могут затем высвобождать «груз» по сигналу. Эта простая концепция лежит в основе множества применений, которые мы рассмотрим: от очистки выбросов CO₂ до более плотного хранения водородного топлива и транспортировки лекарственных молекул по кровотоку.
Основные области применения МОФов
Уникальные губкообразные свойства MOF делают их полезными в поразительно широком спектре применений. Ниже мы рассмотрим некоторые из самых значимых способов использования, которые разрабатываются сегодня, — а также недавние прорывы и примеры в каждой области.
Улавливание углерода и смягчение последствий изменения климата
Одно из самых неотложных применений MOF — это улавливание углекислого газа из дымовых газов электростанций или даже непосредственно из воздуха. Сокращение выбросов CO₂ критически важно для борьбы с изменением климата, и MOF становятся «одними из самых перспективных материалов для улавливания углерода», поскольку они способны поглощать CO₂ с большей эффективностью и меньшими энергетическими затратами по сравнению с традиционными методами ccarbon.info. Традиционные технологии улавливания углерода используют жидкие амины для связывания CO₂, но амины коррозийны, требуют много энергии для регенерации и обычно работают только при относительно низких температурах (около 40–60 °C). Однако многие промышленные дымовые газы значительно горячее (выбросы цементных и сталелитейных заводов могут превышать 200–300 °C), что делает улавливание углерода сложным и дорогостоящим, поскольку газы сначала необходимо охлаждать news.berkeley.edu. MOF предлагают потенциальный прорыв: их можно спроектировать так, чтобы они захватывали CO₂ даже в суровых условиях, а затем высвобождали его при умеренном нагреве или изменении давления, используя в целом гораздо меньше энергии, чем аминовые скрубберы ccarbon.info.
В конце 2024 года химики из Калифорнийского университета в Беркли сообщили о прорывном МОФ, который может улавливать CO₂ из горячих дымовых газов без предварительного охлаждения. Материал, известный как ZnH-MFU-4l, содержит участки гидрида цинка внутри своих пор, которые прочно связывают CO₂ при высоких температурах. «Мы обнаружили, что МОФ может улавливать диоксид углерода при беспрецедентно высоких температурах — температурах, актуальных для многих процессов, выбрасывающих CO₂», — сказал доктор Куртис Карш, один из первых авторов исследования. «Ранее считалось, что это невозможно для пористого материала». news.berkeley.edu В условиях имитации выхлопных газов этот МОФ смог селективно захватывать CO₂ при ~300 °C (типично для дымовых газов цементных/сталелитейных производств) и улавливать более 90% CO₂ в потоке («глубокий захват углерода»), соперничая с эффективностью жидких аминов news.berkeley.edu. Такая работа при высоких температурах избавляет от необходимости тратить энергию и воду на охлаждение выбросов news.berkeley.edu, что потенциально делает улавливание углерода возможным для «трудно декарбонируемых» отраслей, таких как сталелитейная и цементная промышленность. «Поскольку энтропия способствует тому, чтобы такие молекулы, как CO₂, оставались в газовой фазе всё больше по мере повышения температуры, обычно считалось невозможным улавливать такие молекулы пористым твёрдым телом при температурах выше 200 °C», отметил профессор Джеффри Лонг, руководивший исследованием. «Эта работа показывает, что при правильной функциональности… возможно действительно высокоёмкое улавливание CO₂ при 300 °C». news.berkeley.edu Это открытие открывает новый путь для проектирования (использование гидридных участков металлов в МОФ) материалов для улавливания углерода следующего поколения news.berkeley.edu.MOF также добиваются успехов и в более традиционных задачах по улавливанию CO₂. Интерес со стороны стартапов и корпораций резко возрос: ExxonMobil подала патенты на технологии MOF для улавливания углерода cas.org, а исследователи из KAUST в Саудовской Аравии запатентовали MOF для улавливания CO₂ и разделения газов cas.org. Многочисленные стартапы спешат коммерциализировать фильтры на основе MOF для улавливания CO₂. Например, Nuada (стартап из ЕС) исследует системы MOF, чтобы помочь производителям цемента улавливать CO₂ из дымовых газов cas.org. Другая компания, Mosaic Materials, разработала MOF с аминной функционализацией для улавливания CO₂, который оказался настолько перспективным, что в 2022 году был приобретён энергетической технологической компанией Baker Hughes для масштабирования news.berkeley.edu. MOF от Mosaic проходит пилотные испытания как альтернатива жидким аминам, а также даже для прямого улавливания CO₂ из воздуха news.berkeley.edu.Как раз в середине 2025 года, Decarbontek, Inc. объявила, что коммерчески производит МОФ-адсорбент для улавливания углерода. Компания запустила DCF-1 (De-Carbon Framework-1), назвав его «прорывным, недорогим, высокоэффективным МОФ, предназначенным для масштабируемого улавливания углерода», теперь доступным в килограммовых количествах ccarbon.info. «С запуском DCF-1 мы устанавливаем новый стандарт для материалов улавливания углерода», — сказал доктор Ён Дин, генеральный директор Decarbontek. «Он экономичен, прост в производстве и очень эффективен — делая улавливание углерода доступным для различных отраслей». businesswire.com DCF-1 можно производить дешево (используя обычный оксид цинка и лимонную кислоту) и планируется, что он будет стоить всего около $10 за кг при полномасштабном производстве, «сопоставимо с обычными молекулярными ситами», по словам Дина businesswire.com. Это важно, потому что МОФ долгое время считались слишком дорогими для массового использования; недорогой, легко производимый МОФ может устранить главный барьер для внедрения ccarbon.info. Сообщается, что материал сочетает в себе высокое поглощение CO₂ с нетоксичным, водным производственным процессом, что идеально подходит для модернизации заводов или даже для извлечения CO₂ из воздуха businesswire.com. Продукт Decarbontek и другие подобные ему подчеркивают, что технология МОФ переходит из лаборатории на рынок в сфере улавливания углерода.Возможно, самым ощутимым признаком прогресса являются пилотные проекты: Svante, канадская компания, использует сорбент MOF (CALF-20, производимый BASF) в демонстрационной системе, которая улавливает около 1 тонны CO₂ в день из дымовых газов цементного завода businesswire.com. Этот реальный тест показывает, что MOF способны справляться с промышленными газовыми потоками и действительно работать в полевых условиях. Такие разработки свидетельствуют о том, что MOF вскоре могут сыграть ключевую роль в глобальных усилиях по улавливанию, использованию и хранению углерода (CCUS), помогая промышленности сокращать выбросы CO₂. Учитывая, что улавливание углерода жизненно важно для смягчения последствий изменения климата (особенно для секторов, которые сложно электрифицировать), MOF широко рассматриваются как прорыв «чудо-материала» для декарбонизации news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Благодаря более высокой эффективности и меньшим энергетическим затратам, улавливание углерода на основе MOF может способствовать более широкому внедрению CCUS — важному мосту к будущему с нулевым выбросом, пока возобновляемая энергетика набирает обороты. В целом, MOF предоставляют мощный новый инструментарий для управления CO₂ — от заводских труб до открытого воздуха, и именно поэтому эта область применения остается самой горячей темой в исследованиях и коммерциализации MOF.Хранение водорода и чистая энергия
Если MOF могут помочь удалить углерод из наших нынешних энергетических систем, то в будущем они также готовы обеспечить чистые энергоносители, такие как водород. Водород (H₂) — перспективное топливо с нулевым выбросом углерода (при сгорании образуется только вода), но его эффективное хранение — серьезная проблема: H₂ — очень малоплотный газ, а его сжатие или сжижение требует больших энергозатрат и тяжелых баллонов. MOF предлагают способ хранить водород в компактной и безопасной форме за счет адсорбции. По сути, водородный газ можно загружать в поры MOF с высокой плотностью (особенно при низких температурах), как яйца в ячейку, а затем высвобождать по мере необходимости. Министерство энергетики США и другие организации установили целевые показатели для материалов хранения водорода (по массовой доле и объему хранимого H₂), и некоторые MOF приблизились к этим целям или превзошли их при криогенных температурах.
В Европе ведется скоординированная работа по использованию MOF для хранения водорода. Финансируемый ЕС проект MOST-H2 (запущен в 2022 году) разрабатывает системы крио-адсорбционного хранения водорода с использованием передовых MOF cordis.europa.eu. При крио-адсорбции водород охлаждается (обычно до температуры жидкого азота, ~77 K) и адсорбируется на пористом материале, достигая высокой плотности без экстремального давления. «Секретное оружие проекта — это особый класс пористых кристаллических материалов, называемых MOF», которые формируют в монолитные MOF-адсорбенты с оптимальным сочетанием объемной и гравиметрической емкости cordis.europa.eu. К 2025 году исследователи MOST-H2 сообщили о «значительном прогрессе» — они объединили отбор с помощью ИИ и эксперименты для выявления новых соединений MOF, которые превосходят общепринятые целевые показатели по гравиметрической и объемной емкости хранения водорода cordis.europa.eu. Эти прорывы были защищены патентными заявками cordis.europa.eu, что подчеркивает их новизну. На практике прототипы MOF команды могут плотно хранить водород в криогенных условиях, в материалах, которые легко и безопасно использовать (без экстремально высокого давления) и имеют «очень малый экологический след» cordis.europa.eu. Конечная цель — интегрировать эти MOF в полноценное «от лаборатории до бака» решение для хранения водорода для таких применений, как транспортные средства на водороде (проект рассматривает примеры для водородных поездов в Австрии и Италии) cordis.europa.eu.Один из примечательных аспектов этих усилий — использование машинного обучения для ускорения открытий. В проекте MOST-H2 был разработан ИИ-инструмент для прогнозирования, какие структуры MOF будут оптимальными для поглощения водорода, что позволило создать «надежную базу данных высокоэффективных материалов» и продемонстрировать, как вычислительные методы могут изменить разработку MOF cordis.europa.eu. Проведя виртуальный скрининг более 10 000 структур MOF и затем протестировав лучшие кандидаты в лаборатории, команда смогла выявить несколько выдающихся образцов, которые они сразу же запатентовали cordis.europa.eu. Такой подход значительно сокращает количество проб и ошибок, обычно необходимых в НИОКР материалов. В результате MOF, созданные в рамках проекта, идут по пути к достижению или превышению строгих целей по хранению, необходимых для практических топливных баков, при этом оставаясь экономически эффективными и стабильными на протяжении многих циклов cordis.europa.eu. Конструкция бака на основе MOF также оптимизируется с помощью современных моделей тепло- и массообмена и анализа жизненного цикла, чтобы обеспечить возможность масштабирования и интеграции в реальные транспортные средства cordis.europa.eu.Помимо этого проекта, другие исследователи продемонстрировали MOF, способные к выдающемуся поглощению водорода. Например, MOF-74 (известная структура) может поглощать больше водорода, чем любой не под давлением бак при 77 K, что указывает на потенциал MOF устранить узкое место в хранении водорода innovations-report.com. Общая стратегия — работать при криогенных температурах, что может показаться энергозатратным, но такие методы, как умная изоляция или использование «бесплатного» охлаждения за счет испарения жидкого водорода, делают это осуществимым. Результатом могут стать легкие, высокоемкие водородные баки для автомобилей на топливных элементах, автобусов или самолетов, которым не требуется сжатие до 700 бар или чрезвычайно тяжелые сосуды. Такие баки могут быть «твердотельными» водородными батареями, где гранулы MOF безопасно удерживают водород при умеренных давлениях. Исследователи также изучают MOF для хранения водорода при комнатной температуре, хотя пока ни один материал не соответствует всем целевым показателям DOE при обычных условиях.
В целом, МОФ находятся на переднем крае решения проблемы хранения водорода. Они действуют как нано-губки, которые плотно упаковывают молекулы водорода посредством адсорбции, позволяя вместить больше водорода в заданный объем при определённом давлении. Современные МОФ в сочетании с криогенным охлаждением продемонстрировали рекордные показатели ёмкости — в некоторых случаях превышающие показатели жидкого водорода по объему, — что может позволить транспортным средствам на водороде проезжать большее расстояние на одном баке и быстрее заправляться. С учетом мирового интереса к водороду как чистому энергоносителю (для транспорта, хранения энергии в сетях и промышленности), такие достижения, как баки на основе МОФ, имеют решающее значение. Тот факт, что подаются патенты и финансируются многолетние проекты в ЕС и других регионах, свидетельствует о доверии к тому, что МОФ сыграют ключевую роль в водородной экономике. Как говорится в одном из отчетов ЕС, эти инновационные материалы обещают «дешевые, эффективные и экологически чистые решения для хранения водорода» для достижения климатических целей Европы cordis.europa.eu — утверждение, которое находит отклик во всем мире, поскольку страны инвестируют в инфраструктуру H₂.
Доставка лекарств и биомедицинские применения
МОФ используются не только в энергетике и экологии — они также производят фурор в биомедицине как новые системы доставки лекарств и контрастные агенты для визуализации. В фармацевтическом контексте МОФ могут выступать в роли наномасштабных носителей для терапевтических молекул. Идея заключается в том, что лекарство (будь то малекула, белок или даже нуклеиновая кислота) может быть загружено в поры МОФ и затем транспортироваться по организму, защищённое каркасом МОФ. Пористая структура иногда может защищать лекарство от преждевременного разрушения, обеспечивать его высвобождение в определённом месте или позволять медленное, контролируемое высвобождение с течением времени. МОФ можно даже сконструировать так, чтобы они реагировали на внешние стимулы (например, pH или свет), чтобы запускать высвобождение лекарства по команде jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Это быстро развивающаяся область исследований в наномедицине.
Одним из преимуществ MOF является их высокая загрузочная способность – благодаря огромной площади поверхности они могут переносить много лекарства относительно своего веса. Кроме того, многие MOF могут быть изготовлены из биосовместимых компонентов (например, узлы из цинка или железа с съедобными органическими кислотами), что означает, что они могут разлагаться в организме на нетоксичные побочные продукты cas.org. На самом деле, некоторые MOF являются биосовместимыми и биоразлагаемыми, что делает их привлекательными для использования в живых организмах cas.org. Исследователи ввели термин «нано-MOF» для очень маленьких частиц MOF (обычно 50–200 нанометров), предназначенных для введения в кровоток или доставки в клетки axial.acs.org. Несколько таких нано-MOF уже дошли до клинических испытаний для терапии рака axial.acs.org – например, в качестве носителей для химиотерапевтических препаратов или для усиления лучевой терапии. Это демонстрирует реальный потенциал MOF как платформы в медицине.Недавнее исследование, проведённое в 2024 году, показало, как простое химическое изменение может улучшить эффективность доставки лекарств с помощью МОФ. Учёные из Университета Майами взяли хорошо известный МОФ под названием MIL-101(Cr) (каркас на основе хрома с большими порами) и фактически «раздули» его с помощью дополнительного этапа синтеза acs.org. Они обработали кристаллы МОФ небольшим количеством уксусной кислоты (похожей на уксус), чтобы увеличить размер пор с примерно 2,5 нм до 5 нм, увеличив внутреннюю площадь поверхности acs.org. Затем эти частицы МОФ с расширенными порами были загружены двумя модельными препаратами — ибупрофеном (противовоспалительное средство) и 5-фторурацилом (противоопухолевый препарат) — для проверки ёмкости и кинетики высвобождения. Результаты оказались поразительными: «Раздутые МОФ содержали больше ибупрофена или противоопухолевого препарата по сравнению с исходной версией и показали улучшенные характеристики в качестве потенциального средства доставки лекарств.» acs.org Благодаря тому, что поры стали больше, внутрь могло поместиться больше молекул лекарства, и действительно, модифицированный МОФ поглотил большее количество обоих препаратов, чем немодифицированный MIL-101 acs.org. Более того, в экспериментах по высвобождению, МОФ с расширенными порами высвобождал препараты значительно быстрее, чем исходный, благодаря тому, что увеличенные отверстия действовали как широкие «двери» для выхода молекул acs.org. Быстрое высвобождение может быть полезно для быстрого достижения терапевтических уровней, тогда как контролируемое медленное высвобождение может быть достигнуто с помощью других модификаций. Исследователи рассматривают этот простой метод кислотной обработки как способ настраивать профили доставки МОФ для различных нужд acs.org. Как они отмечают, «простые изменения, такие как эти, могут максимизировать эффективность МОФ в будущих приложениях по доставке лекарств», и в настоящее время ведутся работы по изучению того, как добиться медленного, устойчивого высвобождения в течение определённых промежутков времени путём настройки структуры пор acs.org.Это всего лишь один из множества примеров. Другие исследования показали, что МОФы могут переносить комбинации лекарств, защищать деликатные биомолекулы, такие как белки или РНК, и даже способствовать направленной доставке к опухолям (путём присоединения к МОФу направляющих лигандов). Благодаря возможности комбинировать различные металлические центры, исследователи обнаружили, что выбор металла может влиять на скорость высвобождения — например, в одном исследовании было установлено, что МОФы на основе магния высвобождают тестовый препарат быстрее, чем МОФы на основе циркония, что говорит о том, что более растворимые металлические узлы приводят к более быстрому разрушению каркаса и высвобождению лекарства axial.acs.org. Такие открытия направляют разработку МОФов для «по требованию» высвобождения лекарств и тераностики (терапия + диагностика). Примечательно, что МОФы также могут служить контрастными агентами или зондами для визуализации; некоторые содержат люминесцентные лантаноиды или радиоактивные изотопы для отслеживания, а другие усиливают сигналы МРТ. Люминесцентные свойства некоторых МОФов позволили создать биосенсоры, которые могут обнаруживать биомаркеры или токсины окружающей среды по изменению флуоресценции cas.org — стирая грань между доставкой лекарств и сенсорикой.Крайне важно, что ранние исследования безопасности показывают, что правильно сформулированные МОФы могут быть нетоксичными и биоразлагаемыми в организме cas.org. Например, МОФы из железа или цинка с пищевыми лигандами могут распадаться на питательные вещества или выводиться из организма. Эта биосовместимость, в сочетании с высокой вместимостью и универсальностью, привела к тому, что эксперты называют МОФы «перспективным новым классом умных носителей лекарств» pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Хотя ни одно лекарство на основе МОФов пока не вышло на рынок, клинические испытания, которые сейчас проводятся, позволяют предположить, что это лишь вопрос времени. В ближайшем будущем наночастицы МОФ могут доставлять химиотерапию более точно к раковым клеткам, снижая побочные эффекты, или выступать в роли «наноантидотов», поглощающих токсичные вещества в организме. Исследовательский интерес высок — в одном обзоре было насчитано десятки систем доставки лекарств на основе МОФов для рака, ВИЧ, диабета и других заболеваний, находящихся в стадии изучения pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Если эти усилия увенчаются успехом, МОФы могут открыть новую эру прецизионной медицины, где лечение будет зависеть не только от молекулы лекарства, но и от умного носителя, который его доставляет.
Сенсоры и детекция
Благодаря их настраиваемой химии и часто присущей люминесценции, MOF стали мощными компонентами в химических сенсорах. Малейшее изменение структуры MOF – например, связывание гостевой молекулы или перенос электрона – может привести к обнаруживаемому оптическому или электрическому сигналу. Это делает MOF отличными для обнаружения следовых количеств соединений в окружающей среде, пище или даже в организме человека. Исследователи создали сенсоры на основе MOF для самого широкого спектра целей: ионы тяжелых металлов, взрывчатые вещества (например, пары ТНТ), опасные промышленные газы и биомаркеры заболеваний, и это лишь некоторые из них sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Один из популярных подходов — это люминесцентные MOF (часто называемые LMOF). Это MOF, которые либо естественно флуоресцируют или фосфоресцируют, либо легированы флуоресцентными молекулами/ионами металлов. Когда целевой анализируемый компонент попадает в поры MOF, это может вызвать изменение люминесценции — например, её тушение, усиление или сдвиг цвета. Например, определённые MOF, содержащие лантанидные металлы, будут излучать яркий сигнал, который может быть селективно потушен определёнными химическими веществами, что позволяет обнаруживать эти вещества при очень низких концентрациях pubs.rsc.org. Существуют MOF, которые работают как сенсоры-включатели для ионов металлов, например, алюминия (светятся только при связывании иона) pubs.acs.org, или как сенсоры, меняющие цвет для pH или кислорода. Благодаря модульной структуре MOF, разработчики сенсоров могут внедрять участки узнавания прямо в каркас. Представьте себе MOF с карманами для связывания, идеально подходящими по размеру для молекулы загрязнителя — когда загрязнитель захватывается, это вызывает перенос электрона или энергии, что приводит к потускнению или изменению цвета люминесценции MOF. Такая специфичность очень ценится в сенсорике.
Ключевое преимущество сенсоров на основе MOF заключается в том, что их можно сделать высокочувствительными и селективными, при этом они остаются стабильными. MOF часто могут работать в различных средах (некоторые устойчивы к воде, что важно для водных сенсоров). Исследователи даже разработали сенсоры на основе MOF, которые могут обнаруживать биомаркеры в сложных жидкостях, таких как моча или кровь, фильтруя и улавливая цель за один шаг sciencedirect.com. Ещё одно перспективное направление — это электрохимические сенсоры на основе MOF: проводящие MOF или композиты могут генерировать электрический ток в ответ на адсорбцию газа или пара, действуя как новый вид «электронного носа» orcasia.org.
Важно отметить, что многие МОФы изготавливаются из относительно безвредных компонентов, поэтому их использование в потребительских или биомедицинских сенсорах вполне осуществимо. Аналитик CAS отметил, что МОФы могут быть отличными биосенсорами, поскольку некоторые из них «малотоксичны и биоразлагаемы», особенно те, которые используются в люминесцентном обнаружении cas.org. Это означает, что зонд с покрытием из МОФ может однажды использоваться in vivo (внутри организма) для мониторинга состояния, или частицы МОФ могут быть частью диагностического теста, который безопасно растворяется после использования. Уже сейчас МОФ-сенсоры были протестированы для таких задач, как токсичные тяжелые металлы в воде (МОФ флуоресцирует в присутствии ртути или свинца) pubs.acs.org, загрязнители пищи (пестициды или антибиотики, вызывающие изменение свечения МОФ) sciencedirect.com, а также в качестве носимых сенсоров для анализа дыхания.
Один из разрабатываемых примеров — это сенсорный массив на основе МОФ для обнаружения взрывчатых веществ и химических боевых агентов. Используя несколько МОФов, каждый из которых настроен на реагирование на различные химические структуры, массив может создавать уникальный «отпечаток» для каждого вещества (аналогично тому, как наш нос различает запахи). Еще один пример: исследователи создали люминесцентный МОФ-сенсор, который может быстро выявлять испорченную пищу, обнаруживая аминные пары, выделяющиеся при разложении мяса, и обеспечивая изменение цвета в качестве индикатора sciencedirect.com. Эти креативные решения показывают, как МОФы могут способствовать охране здоровья и безопасности населения.
Короче говоря, МОФы приносят высокую чувствительность, настраиваемость и стабильность в сенсорные технологии. В некоторых случаях они могут обнаруживать молекулы на уровне частей на миллиард, а их отклик можно спроектировать так, чтобы он был легко считываемым (изменение цвета, видимое невооружённым глазом, или изменение тока/напряжения для электронного считывания). По мере ужесточения стандартов экологического мониторинга и безопасности пищевых продуктов, сенсоры на основе МОФ могут получить широкое распространение благодаря сочетанию точности и практичности. Тот факт, что МОФы можно превращать в тонкие плёнки или порошки для покрытия устройств, означает, что их интеграция в сенсорное оборудование вполне осуществима. Компании и исследовательские лаборатории по всему миру активно патентуют конструкции МОФ-сенсоров cas.orgcas.org, что указывает на то, что мы вскоре можем увидеть коммерческие сенсорные продукты, использующие МОФ-технологии — от умных кухонных сенсоров для обнаружения порчи до портативных детекторов для контроля качества воздуха и угроз безопасности. Это динамичная область, где встречаются химия и инженерия, и МОФы находятся на переднем крае, делая наш мир более доступным для обнаружения и измерения в мельчайших деталях.
Сбор воды из воздуха и технологии очистки воды
Возможно, одно из самых футуристических применений MOF — и в то же время уже продемонстрированное в реальной жизни — это добыча питьевой воды прямо из воздуха. Атмосферный сбор воды — это технология, направленная на извлечение влаги из воздуха (даже в засушливых пустынных климатах) для получения пресной воды. Традиционные осушители воздуха или туманные сети требуют относительно влажного воздуха или большого количества энергии. Но MOF продемонстрировали способность захватывать воду из чрезвычайно сухого воздуха (до 10–20% относительной влажности) и затем высвобождать её с минимальными энергозатратами, что делает их идеальными для автономных генераторов воды в регионах, страдающих от засухи.
Концепция была впервые предложена профессором Омаром Яги (изобретателем MOF) и его коллегами. В 2017 году они впервые сообщили о MOF (MOF-801), который мог собирать воду из пустынного воздуха, используя только солнечный свет в качестве источника энергии. Перенесёмся в 2023 год — и технология сделала огромный скачок вперёд. Исследователи Калифорнийского университета в Беркли представили портативное устройство для сбора воды с использованием MOF, которое было протестировано в Долине Смерти — одном из самых сухих и жарких мест на Земле. Устройство, примерно размером с небольшой рюкзак и полностью работающее на солнечном свете, многократно проходило циклы: ночью собирало воду, а днём выделяло её в виде жидкости. «Эти испытания показали, что устройство может обеспечивать чистой водой где угодно», — сообщили исследователи, назвав это срочным решением, поскольку «изменение климата усугубляет засухи». cdss.berkeley.edu Основанный на MOF сборщик смог извлекать влагу из воздуха с влажностью всего 10% и производить до 285 граммов воды на килограмм MOF в сутки в полевых условиях cdss.berkeley.edu. (~285 г — это примерно стакан воды; лабораторные тесты в идеальных условиях дают ещё больше.) Впечатляет, что всё это достигается с полным отсутствием внешнего питания, кроме солнечного света, то есть нулевыми выбросами парниковых газов и без необходимости в электричестве cdss.berkeley.edu. Это возможно потому, что MOF сначала адсорбирует водяной пар из прохладного ночного воздуха, а затем дневное солнце нагревает MOF, заставляя его выделять воду в виде пара, который конденсируется в жидкость в сборнике. MOF может работать много циклов без потери эффективности и легко регенерируется простым высушиванием, что делает его надёжной «водяной губкой» для длительного использования cdss.berkeley.edu.
МОФ, использованный в последнем устройстве, представляет собой алюминиевую структуру (называемую MOF-303), которая обладает сильным сродством к воде, но также легко отдаёт её при умеренных температурах (~80 °C). Этот МОФ был выбран за его исключительную эффективность: он может собирать воду даже в чрезвычайно засушливых условиях и остаётся стабильным на протяжении тысяч циклов businesswire.com. Фактически, MOF-303 был успешно протестирован в Долине Смерти, что подтвердило его практическое применение в экстремальных условиях businesswire.com. Во время испытаний устройство достигло восстановления воды на уровне около 85–90% от адсорбированной воды в каждом цикле cdss.berkeley.edu, то есть очень мало захваченной влаги терялось. Доктор Яги, возглавивший исследование, опубликованное в Nature Water (июль 2023), подчеркнул важность: «Почти треть населения мира живёт в регионах с дефицитом воды. ООН прогнозирует, что к 2050 году почти 5 миллиардов человек столкнутся с нехваткой воды… Это весьма актуально для освоения нового источника воды.» cdss.berkeley.edu Используя огромный резервуар воды в атмосфере (даже в пустынях в воздухе есть немного влаги), устройства на основе МОФ предлагают заманчивый новый источник воды, который является децентрализованным и устойчивым. В отличие от крупных опреснительных установок (которым требуется электричество и морская вода), МОФ-устройство может быть персональным или рассчитанным на деревню прибором, который работает везде, где есть воздух и солнечный свет.В настоящее время ведутся коммерческие усилия по масштабированию водосборников на основе MOF. Несколько стартапов, часто в сотрудничестве с университетами, продвигают эту технологию. Согласно недавнему рыночному отчету, такие компании, как Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule и Transaera, используют превосходные свойства MOF по адсорбции воды для создания систем охлаждения и водоснабжения нового поколения businesswire.com. Сообщается, что эти системы могут генерировать до 0,7 литра воды на килограмм MOF в день даже в засушливых условиях businesswire.com — примерно вдвое больше, чем у первых прототипов, благодаря улучшенным материалам и конструкциям. Например, Transaera внедряет MOF в сверхэффективные кондиционеры, которые не только охлаждают воздух, но и дополнительно собирают воду (Transaera была финалистом Global Cooling Prize). Еще один проект от AQUAml (связанный с MIT) использует MOF для персональных бутылок для воды, которые наполняются из влажности воздуха. Тот факт, что MOF работают при низкой влажности, также означает, что их можно использовать для пассивного осушения в системах HVAC, делая охлаждение более эффективным за счет осушения воздуха без конденсационных змеевиков cas.org.
Водосборник на основе MOF — яркий пример того, как эти материалы могут решать гуманитарные задачи и задачи адаптации к изменению климата. В районах с загрязненными источниками воды устройства на MOF могут обеспечивать безопасную питьевую воду при минимальной инфраструктуре. Они также масштабируются модульно — можно развернуть сотни MOF-устройств для поддержки сообщества или один блок для семьи. Исследователи даже представляют себе самозаполняющиеся бутылки для воды для туристов и генераторы воды для военных в полевых условиях, все на основе MOF и солнечной энергии. Хотя стоимость и масштабирование производства остаются следующими препятствиями, достигнутый прогресс крайне обнадеживает. Как заметила одна статья, устройства на MOF для получения воды из воздуха заставляют почувствовать, что это «химия на грани волшебства», превращая нечто столь неосязаемое, как воздух, в один из важнейших ресурсов жизни. С учетом того, что изменение климата делает засухи все более частыми, такие технологии могут стать переломным моментом для водной безопасности и вдохновляющим примером применения передовых материалов на благо общества.
Другие перспективные применения (катализ, батареи и другое)
Помимо вышеупомянутых основных применений, МОФ демонстрируют свою универсальность и во многих других областях. Их высокая удельная поверхность, настраиваемость и способность включать активные металлы или функциональные группы делают их идеальными для катализа – ускорения химических реакций. МОФ могут служить катализаторами сами по себе или быть прекурсорами каталитических материалов. Например, МОФ с открытыми металлическими центрами использовались для катализа превращения CO₂ в топливо, а материалы, полученные из МОФ (например, углеродные каркасы, сохраняющие металл из МОФ), показали отличные результаты в электрокатализе (например, для восстановления кислорода в топливных элементах) cas.org. В одном исследовании было обнаружено, что азот-допированные углеродные нанотрубки, полученные из МОФ, обладали «улучшенной электрокаталитической активностью и стабильностью» для электролиза воды по сравнению со стандартными катализаторами cas.org. Возможность проектировать атомную структуру катализатора с помощью МОФ (иногда это называют «нано-литьём») очень привлекательна для зеленой химии и промышленных процессов.
МОФ также исследуются в устройствах для хранения энергии. Исследователи тестируют МОФ в качестве электродных материалов в литий-ионных батареях, где пористая структура может вмещать ионы лития и потенциально улучшать ёмкость или скорость зарядки cas.org. Некоторые МОФ (или их производные) исследуются как материалы для суперконденсаторов для быстрого хранения энергии cas.org. Хотя большинство МОФ являются изоляторами, появился новый подкласс проводящих МОФ, которые могут транспортировать электроны и могут быть использованы в электронике или сенсорах. Изучаются даже МОФ с собственными магнитными или сегнетоэлектрическими свойствами для создания передовых функциональных устройств.
Еще одной областью инноваций с использованием МОФ является разделение и очистка газов в химической промышленности. Мы уже упоминали улавливание углекислого газа, но МОФ могут также использоваться для других сложных разделений – например, для выделения пропилена из пропана (ключевой этап в производстве пластмасс) или удаления примесей из природного газа. Компании, такие как UniSieve, разработали мембраны на основе МОФ, которые действуют как молекулярные сита, обеспечивая энергоэффективное разделение. В одном случае мембрана из МОФ смогла отделить пропилен с чистотой 99,5% от пропана businesswire.com, предлагая потенциальную низкоэнергетическую альтернативу дистилляции (которая обычно требует огромных затрат энергии для таких разделений). Аналогично, фильтры из МОФ исследуются для рециркуляции хладагентов, очистки промышленных растворителей и даже для очистки ядерных отходов (захват радиоактивного йода или ксенона).
В области электроники и сенсоров исследователи создали основанные на MOF тонкие пленки, которые избирательно реагируют на определённые газы, что потенциально позволяет создавать новые типы газовых сенсоров или даже мембраны для топливных элементов. Очистка окружающей среды — ещё одна ниша: MOF способны улавливать загрязнители, такие как PFAS («вечные химикаты»), из воды благодаря их настраиваемой адсорбции, а некоторые фотокаталитические MOF могут разрушать органические загрязнители под действием света.Наконец, у MOF есть и необычные, но интересные потенциальные применения: например, ткани с MOF, которые поглощают запахи или химические агенты (для защитной одежды). Или покрытия с MOF в холодильниках, чтобы поглощать этилен и дольше сохранять свежесть продуктов? Все эти идеи сейчас тестируются. В конечном итоге, MOF — это платформенный материал: как полимеры или кремний нашли множество применений, так и MOF — это швейцарский нож в мире материалов. Как отмечается в одном рыночном анализе: «Исключительные свойства MOF — рекордная площадь поверхности, настраиваемые поры и индивидуализируемая химия — позволяют находить решения для самых острых проблем общества». businesswire.com От чистого воздуха и воды до чистой энергии и здоровья — MOF оставляют свой след во множестве инноваций.
Глобальный ландшафт: исследования, патенты и коммерциализация по всему миру
Волнение вокруг MOF действительно носит глобальный характер. После первых прорывов в США (работа профессора Яги в Калифорнийском университете в Беркли и Лос-Анджелесе) и Японии (независимые открытия MOF профессора Сусуму Китагава в Киото), исследования быстро распространились по Северной Америке, Европе, Азии и за их пределами. Соединённые Штаты остаются лидером в области инноваций MOF, где ведущие университеты (Беркли, MIT, Нортвестерн и др.), национальные лаборатории и компании двигают границы возможного. Несколько американских стартапов, часто выросших из академических лабораторий, занимаются коммерциализацией MOF: NuMat Technologies (Иллинойс) специализируется на хранении газов и даже продавала баллоны с газом, оснащённые MOF (ION-X), которые хранят токсичные газы для полупроводниковой промышленности более безопасным, субатмосферным способом businesswire.com. NuMat также сообщает о производственных мощностях около 300 тонн MOF в год на своих предприятиях businesswire.com. Mosaic Materials в Калифорнии (ранее упоминалась по улавливанию CO₂) и Transaera (Массачусетс, для охлаждения) — другие заметные американские компании. Промышленный гигант BASF в Германии был одним из первых, кто сделал крупные инвестиции в MOF; в 2010-х годах он наладил массовое производство MOF (выпуская медьсодержащий MOF в тонных количествах) и сейчас имеет многосоттонную годовую мощность в Людвигсхафене businesswire.com. MOF от BASF (продаётся под маркой Basolite) даже используется в некоторых коммерческих продуктах, таких как энергоэффективное изолирующее стекло премиум-класса и химические фильтры. В Европе существует сильная академическая сеть по MOF (например, ЕС проводит конференции, такие как EuroMOF), а Европейский союз финансировал проекты, такие как MOST-H2 (хранение водорода) и AMADEUS (хранение аммиака с помощью MOF), чтобы ускорить прикладные исследования.
Китай за последнее десятилетие стал одним из ведущих участников в науке о МОФ. Фактически, по публикационной активности китайские исследователи составляют значительную часть новых статей и патентов по МОФ – в областях от улавливания углерода до доставки лекарств. В одном библиометрическом исследовании отмечается, что «Китай внес значительный вклад и занимает лидирующую позицию в исследованиях МОФ в онкологии» pmc.ncbi.nlm.nih.gov, чтобы привести один пример. Крупные китайские учреждения, такие как Университет Цзилинь, Университет Нанькай и Академия наук Китая, имеют специализированные центры по МОФ, исследующие всё – от батарей на основе МОФ до катализаторов для превращения CO₂ в топливо. Стремление правительства Китая достичь углеродной нейтральности к 2060 году стимулировало интерес к МОФ для технологий декарбонизации. Хотя в Китае пока может быть не так много известных во всем мире стартапов по МОФ, у страны сильное сотрудничество между промышленностью и академией. Примечательно, что Китай лидирует в области хранения метана на основе МОФ для транспортных средств (где резервуары, заполненные адсорбентом, могут позволить автомобилям на природном газе хранить больше топлива при более низком давлении) и исследует МОФ для улавливания промышленных выбросов в рамках национальных программ CCUS.
Другие регионы также активны: Япония продолжает вносить вклад (с исследованиями пионеров, таких как Китагава, и новыми работами по проводящим МОФ), Южная Корея имеет компании, такие как framergy (которая сотрудничает с международными группами для коммерциализации МОФ), а Австралия располагает ARC Centre of Excellence in Exciton Science, который изучает МОФ для сенсоров и фотокатализа. На Ближнем Востоке KAUST Саудовской Аравии является центром исследований МОФ (как отмечено, они подали патенты на улавливание углерода с помощью МОФ) cas.org, а такие страны, как Объединённые Арабские Эмираты и Катар, интересуются МОФ для опреснения воды и разделения газов, что соответствует их потребностям.
Важно отметить, что разработка MOF больше не ограничивается лабораторией. Патенты и коммерческие продукты становятся все более распространёнными. Анализ, проведённый Chemical Abstracts Service в конце 2024 года, показал, что, несмотря на бурный рост публикаций о MOF, «рост числа патентных публикаций свидетельствует о скорой широкой коммерциализации этой технологии» cas.org. В частности, CAS зафиксировал значительную патентную активность в областях, связанных с декарбонизацией (улавливание углерода, энергетика, хранение газов), а также в таких сферах, как очистка воды и сенсоры cas.org. Это указывает на то, что компании и институты защищают инновации на основе MOF, готовясь к их внедрению в реальной жизни. По состоянию на 2024 год полностью коммерциализировано было лишь несколько продуктов на основе MOF businesswire.com – среди них CO₂-фильтры Svante, газовые контейнеры NuMat, некоторые нишевые устройства для очистки воздуха и линейка пакетов для контроля влажности на основе MOF. Но, похоже, мы находимся на переломном этапе. «Глобальный рынок MOF в настоящее время переживает критический переход от академических исследований к промышленному применению», отмечается в отчёте ResearchAndMarkets, который прогнозирует ежегодный рост отрасли примерно на 30% в дальнейшем businesswire.com. К 2035 году рынок MOF-продуктов может достичь нескольких миллиардов долларов, особенно за счёт улавливания углерода, хранения водорода, сбора воды и химических разделений businesswire.com.
Производственная сторона также масштабируется: около 50 компаний по всему миру сейчас производят MOF, хотя большая часть мощностей сосредоточена у нескольких игроков (таких как BASF и NuMat) businesswire.com. Среди проблем, с которыми они сталкиваются, — масштабирование производства от лабораторных граммов до промышленных тонн при сохранении качества, а также необходимость делать это экономически эффективно businesswire.com. Обнадеживает то, что прогресс налицо — издержки снижаются по мере совершенствования технологий, а компании разработали методы непрерывного производства (в отличие от медленного пакетного синтеза) для выпуска MOF в больших объемах businesswire.com. Например, Promethean Particles в Великобритании использует проточный реактор для производства MOF и других наноматериалов, а novoMOF в Швейцарии предлагает контрактное производство MOF в промышленных масштабах. Эти достижения означают, что если появится большой спрос (например, тысячи тонн для установок по улавливанию углекислого газа), производители будут готовы его удовлетворить.Международное сотрудничество также очевидно: ученые из разных стран часто совместно публикуют статьи о MOF, а также проводятся мировые конференции (например, MOF2023 в Мельбурне, MOF2024 в Ванкувере), которые объединяют сообщество. Это способствует распространению лучших практик и помогает избежать дублирования усилий, учитывая огромный химический простор MOF.
Перспективы: почему MOF важны для устойчивого будущего
Как мы видели, MOF находятся на пересечении передовой науки о материалах и решения реальных проблем. Их часто называют «переломным моментом» для устойчивого развития, потому что они позволяют осуществлять процессы, которые ранее были невозможны или неэффективны. Улавливание углерода — яркий пример: делая очистку CO₂ менее энергоёмкой, MOF могут позволить более широкое внедрение улавливания углерода на электростанциях и заводах, что значительно сократит выбросы парниковых газов. Хранение чистой энергии — ещё один пример: MOF могут наконец сделать водород (а возможно, и другие газы, такие как метан) практичными в качестве чистого топлива, решив проблему хранения. В области чистой воды MOF буквально создают воду из воздуха или дешево очищают воду, решая проблему нехватки и загрязнения без необходимости в крупной инфраструктуре. В здравоохранении MOF дают надежду на целенаправленную доставку лекарств и чувствительную диагностику, потенциально спасая жизни с помощью более умных методов терапии. И во всей промышленной химии MOF предлагают более энергоэффективные процессы разделения и катализа, что может снизить углеродный след производства повседневных химикатов.Редко когда один класс материалов влияет на столько секторов — именно поэтому MOF часто сравнивают с «новым кремнием» или «новым пластиком» по трансформационному потенциалу. Они представляют собой новый способ создавать материалы с нуля с высокой точностью (за что их сравнивают с LEGO или Tinkertoys на молекулярном уровне). Такой подход к проектированию был в основном теоретическим несколько десятилетий назад; теперь это практический набор инструментов, который используют химики и инженеры по всему миру.
Эксперты считают, что мы на пороге перехода MOF от лабораторных диковинок к повсеместным рабочим материалам, встроенным в различные технологии. «Благодаря всем своим потенциальным применениям MOF стимулируют важные прорывы в некоторых из самых сложных научных областей», — написал один аналитик ACS, добавив, что улучшения в области ИИ и машинного обучения ускоряют скрининг MOF, «а это значит, что новые достижения и коммерческое применение могут быть уже близко». cas.org Сроки выхода MOF на рынок уже сокращаются: если первый MOF был создан в 1995 году, то до первых коммерческих применений дошли только в 2020-х, но в ближайшие несколько лет мы можем увидеть десятки продуктов на основе MOF. Крупные промышленные компании уже обратили на них внимание — нефтегазовые компании рассматривают MOF для более чистой переработки, технологические фирмы — для фильтров воздуха в дата-центрах, а автопроизводители интересуются водородными баками и CO₂-скрубберами на основе MOF для очистки воздуха в салоне.
В глобальном масштабе поддержка исследований и внедрения MOF соответствует неотложным приоритетам, таким как борьба с изменением климата, устойчивое развитие и передовые производственные технологии. Правительства и инвесторы финансируют стартапы и пилотные проекты на основе MOF, признавая, что эти материалы могут дать их стране конкурентное преимущество в области чистых технологий. В США и Европе MOF включены в дорожные карты по улавливанию углерода и хранению водорода. В последних пятилетних планах Китая подчеркивается важность новых материалов и устойчивого развития — областей, в которых MOF особенно сильны. В процесс также вовлечены международные организации: например, улавливание углерода с помощью MOF было выделено на недавних конференциях по CCUS decarbonfuse.com, а сбор воды с помощью MOF освещался такими СМИ, как BBC и Scientific American, привлекая внимание общественности к этим инновациям.
Конечно, остаются и проблемы. Необходимо продолжать снижать производственные издержки и повышать масштабируемость (хотя, как отмечалось, в этом направлении уже достигнут значительный прогресс businesswire.com). Долговременная стабильность MOF в реальных условиях (при воздействии примесей, многократных циклах) должна быть доказана для каждого случая отдельно. И каждое применение сталкивается с конкуренцией со стороны других технологий (например, сможет ли улавливание углерода с помощью MOF превзойти новые системы на основе растворителей или мембран? Смогут ли сборщики воды на MOF превзойти традиционное опреснение в промышленных масштабах?). Ответы на эти вопросы будут получены в ближайшие годы благодаря демонстрационным проектам и экономическим анализам. Первые признаки обнадеживают: там, где MOF действительно выделяются, они превосходят альтернативы — предлагая возможности, с которыми не может сравниться ни один другой материал (например, ни один другой материал не может так эффективно улавливать воду при влажности 10% или хранить столько водорода в столь легкой форме).
В заключение, MOF демонстрируют силу химических инноваций для решения глобальных проблем. Они начинались как научное любопытство в химических лабораториях и превратились в платформу, способную сделать промышленность чище, энергетику — более устойчивой, а такие ресурсы, как вода, — более доступными. Мировые усилия по разработке MOF — от американских стартапов до китайских университетов, от европейских исследовательских консорциумов до ближневосточных лабораторий — подчеркивают общий оптимизм в отношении этих материалов. Как было лаконично сказано в одном из отчетов, MOF «переходят от научного любопытства к коммерческой реальности», решая задачи в области улавливания углерода, воды, энергетики и других сфер businesswire.com. Если текущие тенденции сохранятся, MOF вскоре могут незаметно работать за кулисами во многих аспектах повседневной жизни, помогая реализовать более экологичный и продвинутый мир. В следующий раз, когда вы выпьете глоток воды в пустыне, поедете на водородном автомобиле или вдохнете более чистый воздух в городе, возможно, именно металлоорганическая структура будет одной из причин этого.Источники: Недавние исследования и экспертные комментарии по MOF были взяты из ведущих научных журналов, пресс-релизов университетов и отраслевых отчетов, включая Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, публикации Businesswire businesswire.com, CORDIS (ЕС) cordis.europa.eu, а также рыночные анализы businesswire.com и другие. Эти источники подчеркивают общий консенсус, что MOF являются прорывной платформой в науке о материалах, быстро увеличивающей свое реальное влияние.
