- MOF-y majú svetový rekord v vnútornej povrchovej ploche až do približne 7 000 m^2 na gram, s teoretickými návrhmi až do 14 600 m^2/g.
- Za približne 20 rokov vedci vytvorili takmer 90 000 jedinečných štruktúr MOF, pričom teória predpovedá státisíce ďalších.
- MOF-y sú pórovité kryštalické siete vytvorené z kovových uzlov a organických prepojok, ktoré tvoria nastaviteľnú 3D mriežku fungujúcu ako molekulárna špongia.
- CALF-20, MOF na báze zinku, dokáže za priemyselných podmienok zadržať približne jednu tonu CO2 denne na kubický meter.
- ZnH-MFU-4l je prelomový MOF na zachytávanie CO2 pri vysokých teplotách, ktorý selektívne viaže CO2 z horúcich spalín pri približne 300 °C a zachytáva viac ako 90 percent CO2.
- DCF-1, uvedený spoločnosťou Decarbontek v polovici roku 2025, je nízkonákladový MOF vyrobený z oxidu zinočnatého a kyseliny citrónovej, ktorého cena sa pri plnej prevádzke odhaduje na približne 10 dolárov za kilogram.
- Spoločnosť Svante testuje systém sorbentu MOF CALF-20 v cementárni, ktorý je schopný zachytiť približne 1 tonu CO2 denne.
- MOF-303, hliníkový MOF na zber vody, umožnil v roku 2023 v Údolí smrti ručný zberač, ktorý získal asi 85–90 % adsorbovanej vody, čo predstavuje až 285 gramov na kilogram denne.
- Projekt EU MOST-H2, spustený v roku 2022, využíva AI na skríning MOF-ov pre skladovanie vodíka; do roku 2025 hlásil pokrok s viac ako 10 000 preskúmanými štruktúrami a prototypmi spĺňajúcimi ciele DOE pri kryogénnych podmienkach.
- MIL-101(Cr) je možné rozšíriť póry z približne 2,5 nm na 5 nm pomocou úpravy kyselinou octovou, čo umožňuje vyššie naloženie ibuprofénu a 5-fluóruracilu a rýchlejšie uvoľňovanie.
Zmena hry v oblasti pokročilých materiálov a udržateľnosti
Predstavte si materiál s takou veľkou vnútornou povrchovou plochou, že štipka z neho obsahuje ekvivalent šiestich futbalových ihrísk plochy news.berkeley.edu. Takéto metal-organické rámce (MOF) sú pórovité, kryštalické zlúčeniny tvorené kovovými uzlami spojenými organickými prepojkami, čím vznikajú štruktúry podobné špongii na molekulárnej úrovni. Vedci vyzdvihujú MOF ako materiály s „zdanlivo neobmedzenými možnosťami“ na vytváranie štruktúr na mieru s požadovanými vlastnosťami cas.org. Za posledných 20 rokov výskum MOF prudko vzrástol – bolo vytvorených takmer 90 000 jedinečných štruktúr MOF (a v teórii sa predpovedajú státisíce ďalších) cas.org. Tento nárast poháňa prísľub, že MOF môžu riešiť kľúčové výzvy v oblasti udržateľnosti a technológií. Od zachytávania oxidu uhličitého spôsobujúceho otepľovanie klímy a ukladania čistého vodíkového paliva až po doručovanie liekov a získavanie vody zo vzduchu v púšti, MOF sú pripravené priniesť prelomové objavy v oblastiach od energetiky a životného prostredia až po biomedicínu cas.orgcas.org. V tejto správe vysvetľujeme čo sú MOF, ako fungujú a ako sa vyrábajú, a prečo sú považované za revolučné. Preskúmame hlavné aplikácie – vrátane zachytávania uhlíka, skladovania vodíka, doručovania liekov, senzorov a získavania vody – a poukážeme na najnovšie vedecké objavy, reálne nasadenia a odborné pohľady. Preskúmaním globálneho prostredia (USA, EÚ, Čína a ďalšie) a najnovších pokrokov uvidíme, prečo sú MOF považované za prelomové materiály pre udržateľnejšiu budúcnosť.
Čo sú MOF? Pórovité kryštály s rekordnou povrchovou plochou
Kovovo-organické rámce (MOF) sú nezvyčajnou triedou materiálov, ktoré sú zostavené ako molekulárne stavebnice Tinkertoy. Pozostávajú z iónov kovov alebo klastrov, ktoré pôsobia ako uzly, spojené organickými molekulami (ligandami) ako výstuhami. Tieto zložky sa samovoľne skladajú do otvorenej, klietkovitej kryštalickej mriežky – v podstate vytvárajú 3D pórovitú sieť držiacu pohromade koordinačnými väzbami cas.org. Výsledkom je kryštalická špongia: MOF majú mimoriadne vysokú pórovitosť a povrchovú plochu, čo znamená, že ich vnútro je plné drobných dutín a kanálikov, do ktorých môžu vstupovať iné molekuly. V skutočnosti MOF držia svetový rekord v povrchovej ploche materiálu – niektoré ponúkajú až ~7 000 m^2 na gram, s teoretickými návrhmi až do 14 600 m^2/g cas.org. Pre lepšiu predstavu, len jedna polievková lyžica bežného MOF môže mať vnútornú plochu veľkosti niekoľkých futbalových ihrísk, čo poskytuje dostatok priestoru na adsorpciu plynov alebo iných molekúl news.berkeley.edu.
Táto obrovská vnútorná plocha a nastaviteľná pórovitá štruktúra sú tým, čo robí MOF také výnimočné. Zámenou kovových uzlov alebo organických prepojení môžu chemici vytvárať rôzne MOF s prispôsobenými veľkosťami pórov, tvarmi a chemickými vlastnosťami cas.org. Takmer akákoľvek kombinácia je možná – jeden z priekopníkov v tejto oblasti, profesor Omar Yaghi (ktorý prvýkrát syntetizoval MOF v 90. rokoch), poznamenal, že boli vytvorené desaťtisíce MOF a „stovky tisíc ďalších“ predpovedajú algoritmy cas.org. Táto modulárna „retikulárna“ dizajnová stratégia znamená, že vedci môžu v podstate navrhovať materiály na mieru: napríklad MOF môže byť navrhnutý tak, aby uprednostňoval zachytávanie molekúl CO₂, alebo aby svietil v prítomnosti toxínu, jednoducho výberom vhodných stavebných blokov. Nevýhodou tejto rozmanitosti je výzva – pri toľkých možných štruktúrach môže byť ťažké predpovedať, ktorý MOF bude najlepšie fungovať pre danú úlohu cas.org. (Vedci čoraz viac využívajú AI a strojové učenie na prehľadávanie databáz MOF a navrhovanie najperspektívnejších kandidátov, k čomu sa ešte vrátime neskôr cas.org.)
Zhrnuté, MOF je ako ultra-jemná špongia alebo lešenie na nanometrickej úrovni. Skladá sa z anorganických a organických častí uzamknutých do opakovateľnej mriežky, čo vedie k pevnej látke, ktorá je z väčšej časti prázdny priestor. Tieto prázdne póry môžu pojať hosťovské molekuly. Kľúčové je, že MOF zvyčajne zostávajú robustné aj po odstránení ich pôvodných „hosťov“ – rozpúšťadiel – prázdny rámec zostáva neporušený a pórovitý, pripravený adsorbovať nové molekuly a uvoľniť ich za správnych podmienok en.wikipedia.org. Táto reverzibilná absorpcia a uvoľňovanie je kľúčová pre aplikácie od skladovania plynov po dodávanie liečiv. Ako vysvetľuje Dr. Kurtis Carsch, chemik z UC Berkeley: „Vďaka svojej jedinečnej štruktúre majú MOF vysokú hustotu miest, kde môžete zachytávať a uvoľňovať CO₂ za vhodných podmienok“ news.berkeley.edu – alebo podobne zachytávať a uvoľňovať iné molekuly. V podstate MOF ponúkajú bezprecedentnú kombináciu vysokej kapacity (vďaka obrovskej povrchovej ploche), nastaviteľnosti (chemickým dizajnom) a reverzibility, čo z nich robí silnú platformu v materiálovej vede.
Ako sa MOF vyrábajú a ako fungujú?
Syntéza MOF je často jednoduchšia, než by naznačovala ich zložitá štruktúra. Typicky vedci rozpustia zdroj kovu (napríklad kovovú soľ) a organickú spojovaciu molekulu v rozpúšťadle, potom podporia tvorbu kryštálov pomalým miešaním, teplom alebo odparovaním. Kovové ióny a spojovacie molekuly sa spontánne koordinujú a kryštalizujú do usporiadaného rámca – MOF kryštál rastie podobne ako skalný cukor vyzrážaný z cukrového roztoku, ale na molekulárnej úrovni. Mnohé MOF sa vyrábajú solvotermálnymi metódami (zahrievanie zložiek v uzavretej nádobe), hoci novšie techniky zahŕňajú mikrovlnnú syntézu, sušenie rozprašovaním a dokonca mechanochemické mletie bez rozpúšťadla. Pozoruhodné je, že MOF sa často dokážu samousporiadať za relatívne miernych podmienok. Napríklad nedávno objavený MOF na zachytávanie uhlíka s názvom DCF-1 sa syntetizuje jednoducho zmiešaním oxidu zinočnatého s kyselinou citrónovou vo vode – „bezpečná, udržateľná a patentovaná metóda“, ktorá poskytuje vysoko výkonný MOF lacno businesswire.com. To ilustruje, ako vedci zlepšujú výrobné metódy, aby znížili náklady a vyhli sa agresívnym chemikáliám. MOF kryštály môžu mať veľkosť od nanometrov po milimetre a zvyčajne sa spracovávajú na prášky alebo formujú do peliet a membrán na praktické použitie.
Ako MOF-y fungujú závisí od adsorpcie a selektivity. Ich póry fungujú ako malé skladovacie skrinky alebo pasce pre molekuly. Keď je MOF vystavený plynu alebo kvapaline, cieľové molekuly môžu vstúpiť do pórov a prichytiť sa na vnútorné povrchy (prostredníctvom van der Waalsových síl, chemických interakcií na špecifických miestach atď.). Keďže MOF-y majú obrovskú vnútornú plochu a často chemické skupiny, ktoré viažu určité molekuly, dokážu absorbovať ohromné množstvá. Napríklad jeden MOF (CALF-20, rámec na báze zinku) dokáže za priemyselných podmienok pojať približne jednu tonu CO₂ denne na kubický meter materiálu businesswire.com – v podstate funguje ako obrovská špongia na oxid uhličitý. Avšak, adsorpcia je zvyčajne reverzibilná: zmenou podmienok (zahrievaním MOF-u, znížením tlaku alebo prepláchnutím iným plynom) sa zachytené molekuly uvoľnia (desorbujú) a MOF je regenerovaný na ďalší cyklus news.berkeley.edu. Tento cyklický proces zachytávania a uvoľňovania je kľúčový pre aplikácie ako zachytávanie uhlíka alebo skladovanie plynov, kde je potrebné MOF opakovane používať. V príklade zachytávania CO₂, keď je MOF nasýtený CO₂, „CO₂ sa dá odstrániť znížením jeho parciálneho tlaku – buď prepláchnutím iným plynom alebo vytvorením vákua. MOF je potom pripravený na ďalší adsorpčný cyklus“ news.berkeley.edu.
Vnútornú chémiu každého MOF-u je možné nastaviť tak, aby uprednostňovala určité molekuly pred inými, vďaka čomu sú vysoko selektívne. Niektoré MOF-y majú v póroch voľné kovové miesta alebo funkčné skupiny, ktoré pôsobia ako háčiky pre špecifické plyny. Iné sú dekorované molekulami (ako amíny alebo medené miesta), ktoré reagujú s cieľom (napríklad CO₂). Táto nastaviteľnosť je veľkou výhodou – na rozdiel od tradičných pórovitých materiálov (napr. aktívne uhlie alebo zeolity), ktoré majú pevné vlastnosti, MOF-y sa dajú navrhnúť na mieru. „Ich nastaviteľné vlastnosti sú kľúčovým faktorom,“ uvádza správa CAS Insights, „vysoký povrch a pórovitosť v kombinácii s nastaviteľnou chémiou dávajú MOF-om schopnosť adsorbovať plyny a prchavé zlúčeniny, čo vyvoláva obrovský záujem o separáciu a skladovanie plynov, najmä CO₂“ cas.org. Stručne povedané, MOF-y fungujú tak, že selektívne zachytávajú molekuly vo svojich nanoporéznych póroch – podobne ako sito alebo filter zložený z molekúl – a neskôr môžu náklad uvoľniť po spustení určitého podnetu. Tento jednoduchý koncept je základom rôznych využití, o ktorých budeme hovoriť, od odstraňovania CO₂ zo spalín, cez hustejšie skladovanie vodíkového paliva, až po prenášanie liečivých molekúl v krvnom obehu.
Hlavné aplikácie MOF-ov
Jedinečné schopnosti MOF-ov podobné špongii ich robia užitočnými v prekvapivo širokej škále aplikácií. Nižšie preskúmame niektoré z najvýznamnejších využití, ktoré sa dnes skúmajú – spolu s nedávnymi prelomami a príkladmi v každej oblasti.
Zachytávanie uhlíka a zmierňovanie klimatických zmien
Jednou z najnaliehavejších aplikácií pre MOF-y je zachytávanie oxidu uhličitého z dymových plynov elektrární alebo dokonca priamo zo vzduchu. Zníženie emisií CO₂ je kľúčové v boji proti klimatickým zmenám a MOF-y sa objavujú ako „jedny z najsľubnejších materiálov na zachytávanie uhlíka“, pretože dokážu absorbovať CO₂ s väčšou účinnosťou a nižšími energetickými nákladmi než konvenčné metódy ccarbon.info. Tradičné technológie zachytávania uhlíka používajú kvapalné amínové roztoky na viazanie CO₂, ale amíny sú korozívne, energeticky náročné na regeneráciu a zvyčajne fungujú len pri relatívne nízkych teplotách (okolo 40–60 °C). Mnohé priemyselné dymové plyny sú však oveľa horúcejšie (výfukové plyny z cementární a oceliarní môžu presiahnuť 200–300 °C), čo sťažuje a predražuje zachytávanie uhlíka, pretože plyny sa musia najskôr ochladiť news.berkeley.edu. MOF-y ponúkajú potenciálny prelom: môžu byť navrhnuté tak, aby zachytávali CO₂ aj v náročných podmienkach a potom ho uvoľnili pri miernom zahriatí alebo zmene tlaku, pričom celkovo spotrebujú oveľa menej energie ako amínové čističe ccarbon.info.
V neskorom roku 2024 chemici z UC Berkeley oznámili prielomový MOF, ktorý dokáže zachytávať CO₂ z horúcich spalín bez predchádzajúceho ochladzovania. Materiál, známy ako ZnH-MFU-4l, obsahuje zinkové hydridové miesta vo svojich póroch, ktoré silno viažu CO₂ pri vysokých teplotách. „Zistili sme, že MOF dokáže zachytávať oxid uhličitý pri bezprecedentne vysokých teplotách – teplotách relevantných pre mnohé procesy produkujúce CO₂,“ povedal Dr. Kurtis Carsch, spoluautor štúdie. „Toto bolo niečo, čo sa predtým nepovažovalo za možné pre porézny materiál.“ news.berkeley.edu Pri simulovaných podmienkach výfukových plynov bol tento MOF schopný selektívne zachytávať CO₂ pri ~300 °C (typické pre spaliny z cementární/oceliarní) a zachytiť viac ako 90 % CO₂ v prúde („hlboké zachytávanie uhlíka“), čím sa vyrovnáva výkonnosti kvapalných amínov news.berkeley.edu. Takáto prevádzka pri vysokých teplotách eliminuje potrebu vynakladať energiu a vodu na ochladzovanie emisií news.berkeley.edu, čo potenciálne umožňuje zachytávanie uhlíka aj v „ťažko dekarbonizovateľných“ odvetviach, ako je výroba ocele a cementu. „Pretože entropia s rastúcou teplotou čoraz viac uprednostňuje molekuly ako CO₂ v plynnej fáze, všeobecne sa predpokladalo, že je nemožné zachytávať takéto molekuly poréznym pevným materiálom pri teplotách nad 200 °C,“ poznamenal profesor Jeffrey Long, ktorý viedol výskum. „Táto práca ukazuje, že so správnou funkčnosťou… je skutočne možné dosiahnuť vysokokapacitné zachytávanie CO₂ pri 300 °C.“ news.berkeley.edu Tento objav otvára novú cestu dizajnu (využitie kovových hydridových miest v MOF) pre materiály na zachytávanie uhlíka novej generácie news.berkeley.edu.MOF-y zažiarili aj v tradičnejších úlohách zachytávania CO₂. Záujem startupov a korporácií prudko vzrástol: ExxonMobil si podal patenty na MOF technológie pre zachytávanie uhlíka cas.org, a výskumníci z KAUST v Saudskej Arábii si dali patentovať MOF-y na zachytávanie CO₂ a separáciu plynov cas.org. Množstvo startupov súťaží o komercializáciu CO₂ filtrov na báze MOF-ov. Napríklad, Nuada (startup so sídlom v EÚ) skúma MOF systémy, ktoré by pomohli výrobcom cementu zachytávať CO₂ zo spalín cas.org. Ďalšia spoločnosť, Mosaic Materials, vyvinula amínom funkcionalizovaný MOF na zachytávanie CO₂, ktorý bol taký sľubný, že ho v roku 2022 odkúpila energetická technologická spoločnosť Baker Hughes na rozšírenie výroby news.berkeley.edu. MOF od spoločnosti Mosaic sa testuje v pilotných projektoch ako alternatíva k tekutým amínom, a dokonca aj na priame zachytávanie CO₂ zo vzduchu news.berkeley.edu.Práve v polovici roku 2025 spoločnosť Decarbontek, Inc. oznámila, že komerčne vyrába MOF adsorbent na zachytávanie uhlíka. Spoločnosť uviedla na trh DCF-1 (De-Carbon Framework-1), ktorý označila za „prielomový, nízkonákladový, vysoko výkonný MOF navrhnutý pre škálovateľné zachytávanie uhlíka“, teraz dostupný po kilogramoch ccarbon.info. „S uvedením DCF-1 nastavujeme nový štandard pre materiály na zachytávanie uhlíka,“ povedal Dr. Yong Ding, generálny riaditeľ Decarbontek. „Je cenovo efektívny, ľahko vyrobiteľný a vysoko účinný – vďaka čomu je zachytávanie uhlíka dostupné naprieč priemyslami.“ businesswire.com DCF-1 sa dá vyrobiť lacno (použitím bežného oxidu zinočnatého a kyseliny citrónovej) a cieľom je, aby stál iba okolo 10 dolárov za kg pri plnej výrobe, „porovnateľne s bežnými molekulovými sitami“, uviedol Ding businesswire.com. Toto je významné, pretože MOF-y boli dlho považované za príliš drahé na hromadné použitie; nízkonákladový, jednoducho vyrobiteľný MOF by mohol odstrániť hlavný prekážku adopcie ccarbon.info. Materiál údajne kombinuje vysokú absorpciu CO₂ s netoxickým, vodným výrobným procesom, ideálnym na dodatočnú montáž do tovární alebo dokonca na zachytávanie CO₂ zo vzduchu businesswire.com. Produkt spoločnosti Decarbontek a ďalšie podobné zdôrazňujú, ako sa MOF technológia v oblasti zachytávania uhlíka presúva z laboratória na trh.Azda najhmatateľnejším znakom pokroku sú pilotné projekty: Svante, kanadská spoločnosť, používa MOF sorbent (CALF-20, vyrábaný spoločnosťou BASF) v demonštračnom systéme, ktorý zachytáva približne 1 tonu CO₂ denne zo spalín cementárne businesswire.com. Tento test v reálnych podmienkach ukazuje, že MOF dokážu zvládnuť priemyselné plynové prúdy a skutočne fungujú v teréne. Takýto vývoj naznačuje, že MOF by čoskoro mohli zohrávať kľúčovú úlohu v globálnych snahách o zachytávanie, využívanie a ukladanie uhlíka (CCUS), čím by pomohli priemyslu znížiť emisie CO₂. Keďže zachytávanie uhlíka je kľúčové pre zmiernenie klimatickej zmeny (najmä v sektoroch, ktoré nemožno ľahko elektrifikovať), MOF sú široko vnímané ako prielomový „zázračný materiál“ pre dekarbonizáciu news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Vďaka vyššej účinnosti a nižším energetickým stratám by zachytávanie uhlíka na báze MOF mohlo umožniť širšie prijatie CCUS – dôležitý most k budúcnosti s nulovými emisiami, kým sa obnoviteľné zdroje energie rozšíria. Stručne povedané, MOF poskytujú mocnú novú sadu nástrojov na zvládanie CO₂, od továrenských komínov až po voľný vzduch, čo je dôvod, prečo táto aplikačná oblasť zostáva najhorúcejším zameraním výskumu a komercializácie MOF.
Ukladanie vodíka a čistá energia
Ak MOF môžu pomôcť odstrániť uhlík z našich súčasných energetických systémov, sú tiež pripravené umožniť čisté energetické nosiče ako vodík v budúcnosti. Vodík (H₂) je sľubné palivo s nulovými emisiami uhlíka (pri spaľovaní vzniká iba voda), ale efektívne skladovanie vodíka je veľkou výzvou – H₂ je veľmi riedky plyn a jeho stláčanie alebo skvapalňovanie je energeticky náročné a vyžaduje ťažké nádrže. MOF ponúkajú spôsob, ako ukladať vodík v kompaktnej, bezpečnej forme prostredníctvom adsorpcie. V podstate je možné vodíkový plyn „naložiť“ do pórov MOF vo vysokej hustote (najmä pri nižších teplotách), podobne ako vajcia v prepravke, a potom ho uvoľniť, keď je potrebný. Ministerstvo energetiky USA a ďalšie stanovili ciele pre materiály na skladovanie vodíka (podľa hmotnostného percenta a objemu uloženého H₂) a niektoré MOF sa týmto cieľom pri kryogénnych teplotách priblížili alebo ich prekročili.
V Európe prebieha koordinované úsilie využiť MOF na skladovanie vodíka. Projekt MOST-H2 financovaný EÚ (spustený v roku 2022) vyvíja systémy kryo-adsorpčného skladovania vodíka využívajúce pokročilé MOF cordis.europa.eu. Pri kryo-adsorpcii sa vodíkový plyn ochladzuje (typicky na úroveň kvapalného dusíka, ~77 K) a adsorbuje na pórovitý materiál, čím sa dosahuje vysoká hustota bez extrémnych tlakov. „Tajnou zbraňou projektu je špeciálna trieda pórovitých kryštalických materiálov nazývaných MOF,” ktoré tvarujú do monolitických MOF adsorbentov s optimálnou kombináciou objemovej a hmotnostnej kapacity cordis.europa.eu. Do roku 2025 výskumníci projektu MOST-H2 oznámili „významný pokrok” – spojili AI-riadený skríning s experimentmi na identifikáciu nových MOF zlúčenín, ktoré prekračujú všeobecne akceptované ciele pre hmotnostnú aj objemovú kapacitu skladovania vodíka cordis.europa.eu. Tieto prelomové objavy boli zabezpečené prostredníctvom patentových prihlášok cordis.europa.eu, čo zdôrazňuje ich novátorstvo. V praxi môžu prototypy MOF tímu skladovať vodík husto za kryogénnych podmienok, v materiáloch, ktoré sú jednoduché a bezpečné na manipuláciu (žiadne extrémne vysoké tlaky) a majú „veľmi malú environmentálnu stopu” cordis.europa.eu. Konečným cieľom je integrovať tieto MOF do komplexného riešenia „od laboratória po nádrž” skladovania vodíka pre aplikácie ako vozidlá poháňané vodíkom (projekt skúma prípadové štúdie pre vlaky na vodíkový pohon v Rakúsku a Taliansku) cordis.europa.eu.Jedným z pozoruhodných aspektov tohto úsilia je využitie strojového učenia na urýchlenie objavovania. Projekt MOST-H2 vyvinul AI nástroj na predikciu, ktoré štruktúry MOF by boli optimálne pre zachytávanie vodíka, čím vytvoril „robustnú databázu vysoko výkonných materiálov“ a ukázal, ako môžu výpočtové metódy zmeniť vývoj MOF cordis.europa.eu. Virtuálnym preverením viac ako 10 000 štruktúr MOF a následným testovaním najlepších kandidátov v laboratóriu bol tím schopný identifikovať niekoľko hviezdnych výkonov, ktoré okamžite patentovali cordis.europa.eu. Tento prístup výrazne skracuje čas potrebný na pokus-omyl, ktorý je typický pre výskum a vývoj materiálov. Výsledkom je, že MOF-y projektu smerujú k splneniu alebo prekročeniu prísnych cieľov skladovania potrebných pre praktické palivové nádrže, pričom zostávajú nákladovo efektívne a stabilné počas mnohých cyklov cordis.europa.eu. Dizajn nádrže na báze MOF sa tiež optimalizuje pomocou pokročilého modelovania prenosu tepla a hmoty a analýzy životného cyklu, aby sa zabezpečilo, že bude možné ho rozšíriť a integrovať do skutočných vozidiel cordis.europa.eu.
Okrem tohto projektu iní výskumníci preukázali MOF-y schopné pozoruhodného zachytávania vodíka. Napríklad MOF-74 (známy rámec) dokáže absorbovať viac vodíka ako akákoľvek nepretlakovaná nádrž pri 77 K, čo poukazuje na potenciál MOF-ov odstrániť úzke miesto v skladovaní vodíka innovations-report.com. Všeobecná stratégia je prevádzka pri takmer kryogénnych teplotách – čo môže znieť energeticky náročne, ale techniky ako šikovná izolácia alebo využitie „bezplatného“ chladenia z odparovania kvapalného vodíka to môžu spraviť životaschopným. Výsledkom by boli ľahké, vysokokapacitné vodíkové nádrže pre autá, autobusy alebo lietadlá na palivové články, ktoré nevyžadujú 700-barovú kompresiu alebo extrémne ťažké nádoby. Takéto nádrže by mohli byť „tuhé“ vodíkové batérie, kde granule MOF bezpečne držia vodík pri miernych tlakoch. Výskumníci tiež skúmajú MOF-y pre skladovanie vodíka pri izbovej teplote, hoci zatiaľ žiadny materiál nespĺňa všetky ciele DOE pri bežných podmienkach.
Celkovo sú MOF na čele riešenia problému skladovania vodíka. Správajú sa ako nano-špongie, ktoré hustia molekuly vodíka adsorpciou, čo umožňuje uložiť viac vodíka do daného objemu pri danom tlaku. Súčasné MOF v kombinácii s kryogénnym chladením dosiahli rekordné kapacity – v niektorých prípadoch presahujú to, čo dokáže kvapalný vodík na jednotku objemu – čo by mohlo umožniť vozidlám na vodíkový pohon prejsť na jednu nádrž dlhšiu vzdialenosť a rýchlejšie tankovať. S rastúcim globálnym záujmom o vodík ako čistý nosič energie (pre dopravu, skladovanie v sieti a priemysel) sú pokroky ako nádrže na báze MOF kľúčové. Skutočnosť, že sa podávajú patenty a financujú viacročné projekty v EÚ aj inde, naznačuje dôveru, že MOF budú hrať kľúčovú úlohu v vodíkovej ekonomike. Ako uvádza jedna správa EÚ, tieto inovatívne materiály sľubujú „lacné, efektívne a ekologicky šetrné riešenia skladovania vodíka“ pre klimatické ciele Európy cordis.europa.eu – čo je tvrdenie, ktoré rezonuje na celom svete, keďže krajiny investujú do infraštruktúry H₂.
Doručovanie liečiv a biomedicínske aplikácie
MOF nie sú určené len pre energetiku a životné prostredie – spôsobujú rozruch aj v biomedicíne ako nové systémy na doručovanie liečiv a zobrazovacie činidlá. V farmaceutickom kontexte môžu MOF slúžiť ako nanoskopické nosiče terapeutických molekúl. Myšlienka je, že liek (ktorý môže byť malá molekula, proteín alebo dokonca nukleová kyselina) sa môže vložiť do pórov MOF a potom prepravovať telom, chránený MOF klietkou. Pórovitá štruktúra môže niekedy chrániť liek pred predčasným rozpadom, zacieliť jeho uvoľnenie na konkrétne miesto alebo umožniť pomalé, kontrolované uvoľňovanie v čase. MOF sa dajú dokonca navrhnúť tak, aby reagovali na podnety (ako pH alebo svetlo) a spustili uvoľnenie lieku na povel jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Toto je rýchlo sa rozvíjajúca oblasť výskumu v nanomedicíne.
Jednou z výhod MOF je ich vysoká kapacita nakladania – vďaka obrovskej povrchovej ploche môžu niesť veľké množstvo liečiva vzhľadom na svoju hmotnosť. Tiež mnohé MOF je možné vyrobiť z biokompatibilných zložiek (napr. zinkové alebo železné uzly s jedlými organickými kyselinami), čo znamená, že sa môžu v tele rozkladať na netoxické vedľajšie produkty cas.org. V skutočnosti sú niektoré MOF biokompatibilné a biologicky odbúrateľné, vďaka čomu sú atraktívne na použitie v živých organizmoch cas.org. Vedci zaviedli pojem „nano-MOF“ pre veľmi malé častice MOF (typicky 50–200 nanometrov) určené na injekciu do krvného obehu alebo bunkové doručenie axial.acs.org. Niekoľko týchto nano-MOF už postúpilo do klinických skúšok pre liečbu rakoviny axial.acs.org – napríklad ako nosiče chemoterapeutík alebo na zlepšenie účinnosti rádioterapie. To ukazuje skutočný potenciál MOF ako platformy v medicíne.Nedávna štúdia z roku 2024 ukázala, ako jednoduché chemické úpravy môžu zlepšiť výkonnosť MOF pri dodávaní liekov. Vedci z University of Miami vzali dobre známy MOF nazývaný MIL-101(Cr) (chrómový rámec s veľkými pórmi) a účinne ho „nafúkli“ pridaním ďalšieho syntetického kroku acs.org. Kryštály MOF ošetrili trochou octovej kyseliny (podobnej octu), aby rozšírili veľkosť pórov z približne 2,5 nm na 5 nm, čím zvýšili vnútorný povrch acs.org. Tieto „pórovo rozšírené“ častice MOF boli následne naplnené dvoma modelovými liekmi – ibuprofénom (protizápalový liek) a 5-fluóruracilom (chemoterapeutikum) – na testovanie kapacity a kinetiky uvoľňovania. Výsledky boli pozoruhodné: „Nafúknuté MOF zadržali viac ibuprofénu alebo chemoterapeutika v porovnaní s pôvodnou verziou a mali lepšiu výkonnosť ako potenciálny nosič liečiv.“ acs.org Keďže póry boli väčšie, do vnútra sa zmestilo viac molekúl lieku, a skutočne, modifikovaný MOF absorboval väčšie množstvo oboch liekov ako nemodifikovaný MIL-101 acs.org. Navyše, v experimentoch s uvoľňovaním, MOF s rozšírenými pórmi uvoľňoval lieky podstatne rýchlejšie než pôvodný, vďaka väčším otvorom, ktoré pôsobili ako široké „dvere“ pre únik molekúl acs.org. Rýchlejšie uvoľňovanie môže byť prospešné na rýchle dosiahnutie terapeutických hladín, zatiaľ čo kontrolované pomalé uvoľňovanie by sa mohlo dosiahnuť inými úpravami. Výskumníci vnímajú túto jednoduchú metódu premytia kyselinou ako spôsob, ako nastaviť profily dodávania MOF pre rôzne potreby acs.org. Ako poznamenávajú, „jednoduché zmeny, ako sú tieto, by mohli maximalizovať účinnosť MOF v budúcich aplikáciách na dodávanie liekov“, a prebiehajúci výskum skúma, ako dosiahnuť pomalé, dlhodobé uvoľňovanie v špecifických časových rámcoch úpravou štruktúr pórov acs.org.Toto je len jeden z mnohých príkladov. Iné štúdie ukázali, že MOF-y môžu prenášať kombinácie liekov, chrániť citlivé biomolekuly ako proteíny alebo RNA a dokonca umožniť cielené doručovanie do nádorov (pripojením cielených ligandov na MOF). Keďže je možné kombinovať rôzne kovové centrá, vedci zistili, že výber kovu môže ovplyvniť rýchlosť uvoľňovania – napríklad jedna štúdia zistila, že MOF-y vyrobené z horčíka uvoľňovali testovaný liek rýchlejšie ako tie zo zirkónia, čo naznačuje, že rozpustnejšie kovové uzly vedú k rýchlejšej degradácii štruktúry a uvoľňovaniu lieku axial.acs.org. Takéto poznatky usmerňujú návrh MOF-ov pre „uvoľňovanie lieku na požiadanie“ a teranostiku (terapia + diagnostika). Pozoruhodné je, že MOF-y môžu slúžiť aj ako kontrastné látky alebo zobrazovacie sondy; niektoré obsahujú luminescenčné lantanoidy alebo rádioaktívne izotopy na sledovanie a iné zvyšujú signál v MRI. Luminescenčné vlastnosti niektorých MOF-ov dokonca umožnili biosenzory, ktoré dokážu detegovať biomarkery alebo environmentálne toxíny na základe zmeny fluorescencie cas.org – čím sa stiera hranica medzi doručovaním liekov a detekciou.Kľúčové je, že počiatočné bezpečnostné štúdie naznačujú, že správne formulované MOF-y môžu byť netoxické a biologicky odbúrateľné v tele cas.org. Napríklad MOF-y zložené zo železa alebo zinku s potravinárskymi spojivami sa môžu rozložiť na živiny alebo byť vylúčené. Táto biokompatibilita v kombinácii s vysokou kapacitou pre náklad a univerzálnosťou viedla odborníkov k tomu, že MOF-y označujú za „sľubnú novú triedu inteligentných nosičov liekov“ pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Hoci žiadny liek na báze MOF zatiaľ nie je na trhu, prebiehajúce klinické skúšky naznačujú, že je to len otázka času. V blízkej budúcnosti by nanopartikuly MOF mohli doručovať chemoterapiu priamo do rakovinových buniek, čím by sa znížili vedľajšie účinky, alebo pôsobiť ako „nano-antidotá“, ktoré absorbujú toxické látky v tele. Výskum napreduje rýchlo – jeden prehľad napočítal desiatky systémov MOF na doručovanie liekov pre rakovinu, HIV, cukrovku a ďalšie ochorenia vo fáze výskumu pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Ak budú tieto snahy úspešné, MOF-y by mohli otvoriť novú éru precíznej medicíny, kde liečba nebude len o molekule lieku, ale aj o inteligentnom nosiči, ktorý ju prenáša.
Senzory a detekcia
Vďaka ich nastaviteľnej chémii a často prirodzenej luminiscencii sa MOF-y stali silnými komponentmi v chemických senzoroch. Malá zmena v štruktúre MOF-u – napríklad naviazanie hosťovskej molekuly alebo prenos elektrónu – sa môže prejaviť ako detegovateľný optický alebo elektrický signál. To robí MOF-y vynikajúcimi na detekciu stopových zlúčenín v životnom prostredí, potravinách alebo dokonca v ľudskom tele. Vedci vytvorili senzory na báze MOF-ov pre široké spektrum cieľov: ióny ťažkých kovov, výbušniny (ako výpary TNT), nebezpečné priemyselné plyny a biomarkery chorôb, aby sme vymenovali aspoň niektoré sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Jedným z populárnych prístupov sú luminiscenčné MOF-y (často nazývané LMOF-y). Ide o MOF-y, ktoré buď prirodzene fluoreskujú alebo fosforeskujú, alebo sú dopované fluorescenčnými molekulami/iónmi kovov. Keď cieľový analyt vstúpi do pórov MOF-u, môže to spôsobiť zmenu luminiscencie – napríklad jej zhasnutie, zosilnenie alebo zmenu farby. Napríklad niektoré MOF-y obsahujúce lantanoidové kovy vyžarujú jasný signál, ktorý môže byť selektívne zhasnutý špecifickými chemikáliami, čo umožňuje detekciu týchto chemikálií vo veľmi nízkych koncentráciách pubs.rsc.org. Existujú MOF-y, ktoré fungujú ako senzory typu „turn-on“ pre ióny kovov ako hliník (svietia len pri naviazaní iónu) pubs.acs.org, alebo ako senzory meniacie farbu pre pH či kyslík. Keďže MOF-y majú modulárnu štruktúru, návrhári senzorov môžu začleniť rozpoznávacie miesta priamo do rámca. Predstavte si MOF, ktorý má väzbové vrecká presne prispôsobené pre molekulu znečisťujúcej látky – keď je znečisťujúca látka zachytená, spustí to prenos elektrónu alebo energie, ktorý spôsobí zhasnutie alebo zmenu farby luminiscencie MOF-u. Takáto špecificita je pri detekcii veľmi cenená.
Kľúčovou výhodou MOF senzorov je, že môžu byť veľmi citlivé a selektívne, pričom zostávajú stabilné. MOF-y často dokážu fungovať v rôznych prostrediach (niektoré sú stabilné vo vode, vhodné na detekciu vo vodnom prostredí). Vedci dokonca vyvinuli senzory na báze MOF-ov, ktoré dokážu detegovať biomarkery v zložitých tekutinách ako moč alebo krv tým, že v jednom kroku filtrujú a zachytávajú cieľovú látku sciencedirect.com. Ďalšou zaujímavou oblasťou sú elektrochemické MOF senzory: vodivé MOF-y alebo kompozity môžu generovať elektrický prúd ako odpoveď na adsorpciu plynu alebo pary, čím fungujú ako nový typ „elektronického nosa“ orcasia.org.
Dôležité je, že mnohé MOF sú vyrobené z relatívne neškodných zložiek, takže ich použitie v spotrebiteľských alebo biomedicínskych senzoroch je uskutočniteľné. Analytik CAS poznamenal, že MOF môžu byť skvelé ako biosenzory, pretože niektoré sú „málo toxické a biologicky odbúrateľné“, najmä tie, ktoré sa používajú v detekcii založenej na luminiscencii cas.org. To znamená, že sonda potiahnutá MOF by mohla byť jedného dňa použitá in vivo (vo vnútri tela) na monitorovanie stavov, alebo MOF častice by mohli byť súčasťou diagnostického testu, ktorý sa po použití bezpečne rozpustí. Už teraz boli MOF senzory testované na veci ako toxické ťažké kovy vo vode (kde MOF fluoreskuje v prítomnosti ortuti alebo olova) pubs.acs.org, kontaminanty v potravinách (pesticídy alebo antibiotiká, ktoré spôsobujú zmenu emisie MOF) sciencedirect.com, a dokonca aj ako nositeľné senzory na analýzu dychu.
Jedným z príkladov vo vývoji je MOF-senzorové pole na detekciu výbušnín a chemických bojových látok. Použitím viacerých MOF, z ktorých každý je naladený na reakciu na rôzne chemické tvary, môže pole vytvoriť jedinečný odtlačok pre danú látku (podobne ako náš nos rozlišuje pachy). Ďalší príklad: vedci vytvorili luminiscenčný MOF senzor, ktorý dokáže rýchlo signalizovať pokazené potraviny detekciou amínových pár z rozkladu mäsa, pričom poskytuje zmenu farby ako indikátor sciencedirect.com. Tieto kreatívne riešenia ukazujú, ako môžu MOF prispieť k verejnému zdraviu a bezpečnosti.
Stručne povedané, MOF prinášajú vysokú citlivosť, prispôsobiteľnosť a stabilitu do senzorovej technológie. V niektorých prípadoch dokážu detegovať molekuly na úrovni častí na miliardu a ich odozva môže byť navrhnutá tak, aby bola ľahko čitateľná (zmena farby viditeľná voľným okom alebo zmena prúdu/napätia pre elektronické čítanie). Keďže normy pre environmentálne monitorovanie a bezpečnosť potravín sa sprísňujú, MOF senzory by mohli nájsť široké uplatnenie vďaka svojej kombinácii presnosti a praktickosti. Skutočnosť, že MOF môžu byť vyrobené ako tenké filmy alebo prášky, ktoré pokrývajú zariadenia, znamená, že ich integrácia do senzorového hardvéru je celkom uskutočniteľná. Spoločnosti a výskumné laboratóriá na celom svete aktívne patentujú dizajny MOF senzorov cas.orgcas.org, čo naznačuje, že čoskoro môžeme vidieť komerčné senzorové produkty využívajúce MOF technológiu – od inteligentných kuchynských senzorov na detekciu skazenia, po ručné detektory kvality ovzdušia a bezpečnostných hrozieb. Toto je dynamická oblasť, kde sa stretáva chémia a inžinierstvo, a MOF sú na čele snáh o to, aby bol náš svet detekovateľný a merateľný do najmenších detailov.
Získavanie vody a technológie čistej vody
Azda najviac futuristicky znejúcou aplikáciou MOF – no už demonštrovanou v reálnom živote – je získavanie pitnej vody zo vzduchu. Zber atmosférickej vody je technológia, ktorá sa snaží extrahovať vlhkosť zo vzduchu (aj v suchých púštnych podmienkach), aby poskytla čerstvú vodu. Tradičné odvlhčovače alebo siete na hmlu vyžadujú relatívne vlhký vzduch alebo veľa energie. MOF však preukázali schopnosť zachytávať vodu z mimoriadne suchého vzduchu (až pri 10–20 % relatívnej vlhkosti) a následne ju uvoľniť s minimálnym energetickým vstupom, vďaka čomu sú ideálne pre nezávislé generátory vody v oblastiach postihnutých suchom.
Tento koncept bol priekopnícky predstavený profesorom Omarom Yaghim (vynálezcom MOF) a jeho kolegami. V roku 2017 prvýkrát oznámili MOF (MOF-801), ktorý dokázal získavať vodu z púštneho vzduchu len pomocou slnečného žiarenia ako zdroja energie. O niekoľko rokov neskôr, v roku 2023, technológia výrazne pokročila. Výskumníci z UC Berkeley predstavili ručné zariadenie na zber vody využívajúce MOF, ktoré bolo testované v Údolí smrti – jednom z najsuchších a najhorúcejších miest na Zemi. Zariadenie, veľké asi ako malý batoh a poháňané výlučne okolitém slnečným svetlom, opakovane cyklovalo: v noci zachytávalo vodu a cez deň ju uvoľňovalo v tekutej forme. „Tieto testy ukázali, že zariadenie môže poskytnúť čistú vodu kdekoľvek,“ uviedol tím a označil ho za naliehavé riešenie, keďže „klimatická zmena zhoršuje podmienky sucha.“ cdss.berkeley.edu Zberač na báze MOF dokázal získať vlhkosť zo vzduchu s vlhkosťou len 10 % a vyprodukovať až 285 gramov vody na kilogram MOF za deň v teréne cdss.berkeley.edu. (~285 g je približne jeden pohár vody; laboratórne testy za ideálnych podmienok prinášajú ešte viac.) Pôsobivé je, že to dosiahol s nulovou externou energiou okrem slnečného žiarenia, čo znamená nula emisií skleníkových plynov alebo potreby elektriny cdss.berkeley.edu. Je to možné, pretože MOF najprv adsorbuje vodnú paru z chladného nočného vzduchu; potom denné slnko zahreje MOF, čo spôsobí uvoľnenie vody vo forme pary, ktorá sa následne kondenzuje na kvapalinu v zberači. MOF môže fungovať mnoho cyklov bez straty výkonu a dá sa regenerovať jednoducho vysušením, vďaka čomu je robustnou „vodnou hubkou“ na dlhodobé použitie cdss.berkeley.edu.
MOF použitý v najnovšom zariadení je hliníkový rámec (nazývaný MOF-303), ktorý má silnú afinitu k vode, ale zároveň ju uvoľňuje pri miernych teplotách (~80 °C). Tento MOF bol vybraný pre svoj výnimočný výkon: dokáže získavať vodu aj v extrémne suchých podmienkach a je stabilný počas tisícok cyklov businesswire.com. V skutočnosti bol MOF-303 úspešne testovaný v Údolí smrti, čím sa potvrdila jeho praktická použiteľnosť v extrémnych podmienkach businesswire.com. Počas testov zariadenie dosiahlo spätné získanie vody na úrovni približne 85–90 % adsorbovanej vody v každom cykle cdss.berkeley.edu, čo znamená, že len veľmi málo zachytenej vlhkosti sa stratilo. Dr. Yaghi, ktorý viedol štúdiu publikovanú v Nature Water (júl 2023), zdôraznil význam: „Takmer jedna tretina svetovej populácie žije v oblastiach s nedostatkom vody. OSN predpovedá, že do roku 2050 bude takmer 5 miliárd ľudí čeliť nedostatku vody… Toto je veľmi dôležité pre získavanie nového zdroja vody.“ cdss.berkeley.edu Využitím obrovského rezervoáru vody v atmosfére (aj v púšťach je vo vzduchu určitá vlhkosť) ponúkajú MOF zariadenia lákavý nový zdroj vody, ktorý je decentralizovaný a udržateľný. Na rozdiel od veľkých odsoľovacích závodov (ktoré potrebujú elektrinu a morskú vodu), MOF zberač môže byť osobným alebo dedinským zariadením, ktoré funguje kdekoľvek, kde je vzduch a slnečné svetlo.
Komercializácia MOF zberačov vody je už v plnom prúde. Niekoľko startupov, často v spolupráci s univerzitami, posúva túto technológiu vpred. Podľa nedávnej trhovej správy spoločnosti ako Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule a Transaera využívajú vynikajúce adsorpčné vlastnosti MOF na vývoj novej generácie chladiacich a vodných systémov businesswire.com. Tieto systémy údajne dokážu vyprodukovať až 0,7 litra vody na kilogram MOF za deň aj v suchých podmienkach businesswire.com – čo je približne dvojnásobok výťažnosti pôvodných prototypov – vďaka vylepšeným materiálom a dizajnom. Transaera napríklad integruje MOF do mimoriadne efektívnych klimatizácií, ktoré nielen chladia vzduch, ale zároveň zbierajú vodu ako bonus (Transaera bola finalistom Global Cooling Prize). Ďalší projekt od AQUAml (spojený s MIT) využíva MOF na osobné fľaše na vodu, ktoré sa dopĺňajú z vlhkosti vzduchu. Skutočnosť, že MOF fungujú aj pri nízkej vlhkosti, znamená, že môžu byť použité na pasívne odvlhčovanie v HVAC systémoch, čím zvyšujú efektivitu chladenia vysušovaním vzduchu bez kondenzačných cievok cas.org.
MOF zberač vody je ukážkovým príkladom toho, ako tieto materiály môžu riešiť humanitárne potreby a adaptáciu na klímu. V oblastiach s kontaminovanými zdrojmi vody by MOF zariadenia mohli poskytovať bezpečnú pitnú vodu s minimálnou infraštruktúrou. Navyše sa dajú modulárne škálovať – môžete nasadiť stovky MOF jednotiek pre komunitu alebo jednu jednotku pre rodinu. Vedci dokonca uvažujú o samo-dopĺňajúcich sa fľašiach na vodu pre turistov a generátoroch vody pre vojakov v teréne, všetko poháňané MOF a slnečným svetlom. Hoci náklady a škálovanie výroby sú ďalšími výzvami, doterajší pokrok je mimoriadne sľubný. Ako poznamenal jeden článok, zariadenia na získavanie vody zo vzduchu vďaka MOF pôsobia ako „chémia na hranici mágie“, keď premieňajú niečo tak nehmotné ako vzduch na jeden z najdôležitejších zdrojov života. S tým, ako klimatická zmena spôsobuje častejšie suchá, by takéto technológie mohli byť prelomové pre vodnú bezpečnosť a inšpiratívnym príkladom využitia pokročilých materiálov pre spoločenské dobro.
Ďalšie nové využitia (katalýza, batérie a ďalšie)
Okrem vyššie uvedených hlavných aplikácií MOF-y preukazujú svoju všestrannosť aj v mnohých ďalších oblastiach. Ich vysoký povrch, nastaviteľnosť a schopnosť začleniť aktívne kovy alebo funkčné skupiny z nich robia ideálnych kandidátov na katalýzu – urýchľovanie chemických reakcií. MOF-y môžu slúžiť ako samotné katalyzátory alebo ako prekurzory katalytických materiálov. Napríklad MOF-y s otvorenými kovovými miestami boli použité na katalýzu premeny CO₂ na palivá a materiály odvodené z MOF-ov (ako uhlíkové štruktúry zachovávajúce kov z MOF-u) preukázali vynikajúci výkon v elektrokatalýze (napr. pri redukcii kyslíka v palivových článkoch) cas.org. Jedna štúdia zistila, že uhlíkové nanorúrky dopované dusíkom odvodené z MOF-u mali „zlepšenú elektrokatalytickú aktivitu a stabilitu“ pri elektrolýze vody v porovnaní so štandardnými katalyzátormi cas.org. Schopnosť navrhovať atómovú štruktúru katalyzátora pomocou MOF-ov (niekedy nazývaná „nano-odlievanie“) je veľmi atraktívna v zelenej chémii a priemyselných procesoch.
MOF-y sa tiež skúmajú v zariadeniach na ukladanie energie. Vedci testujú MOF-y ako elektródové materiály v lítium-iónových batériách, kde pórovitá štruktúra môže pojať lítiové ióny a potenciálne zlepšiť kapacitu alebo rýchlosť nabíjania cas.org. Niektoré MOF-y (alebo ich deriváty) boli skúmané ako materiály pre superkondenzátory na rýchle ukladanie energie cas.org. Hoci väčšina MOF-ov je izolantná, objavila sa nová podtrieda vodivých MOF-ov, ktoré dokážu prenášať elektróny a mohli by sa použiť v elektronike alebo senzoroch. Dokonca existujú MOF-y s vnútornými magnetickými alebo feroelektrickými vlastnosťami, ktoré sa skúmajú pre pokročilé funkčné zariadenia.
Ďalšou oblasťou, kde dochádza k inováciám s MOF-mi, je separácia a čistenie plynov v chemickom priemysle. Už sme spomenuli zachytávanie uhlíka, ale MOF-y môžu cieliť aj na iné náročné separácie – napríklad izoláciu propylénu od propánu (kľúčový krok vo výrobe plastov) alebo odstraňovanie nečistôt zo zemného plynu. Spoločnosti ako UniSieve vyvinuli membrány na báze MOF-ov, ktoré fungujú ako molekulové sitá a dosahujú energeticky efektívne separácie. V jednom prípade dokázala MOF membrána oddeliť propylén s čistotou 99,5 % od propánu businesswire.com, čo ponúka potenciálnu nízkoenergetickú alternatívu k destilácii (ktorá zvyčajne spotrebuje obrovské množstvo energie na takéto separácie). Podobne sa MOF filtre skúmajú na recykláciu chladív, čistenie priemyselných rozpúšťadiel a dokonca aj na čistenie jadrového odpadu (zachytávanie rádioaktívneho jódu alebo xenónu).
V oblasti elektroniky a senzorov vedci vytvorili MOF-založené tenké filmy, ktoré sú selektívne pre určité plyny, čo potenciálne umožňuje vytvoriť nové typy plynových senzorov alebo dokonca membrán pre palivové články. Environmentálna sanácia je ďalšou špecifickou oblasťou – MOF-y dokážu zachytávať znečisťujúce látky ako PFAS („večné chemikálie“) z vody vďaka ich nastaviteľnej adsorpcii a niektoré fotokatalytické MOF-y dokážu rozkladať organické znečisťujúce látky pod vplyvom svetla.
Napokon, MOF-y majú aj niektoré hravé, ale zaujímavé potenciálne využitia: čo tak MOF textílie, ktoré absorbujú pachy alebo chemické látky (pre ochranné odevy)? Alebo MOF povlaky v chladničkách, ktoré absorbujú etylén a udržia potraviny dlhšie čerstvé? Tieto nápady sa všetky testujú. Základom je, že MOF-y predstavujú platformový materiál: rovnako ako polyméry alebo kremík našli nespočetné využitia, MOF-y sú švajčiarsky nožík vo svete materiálov. Ako to zhrnula jedna trhová analýza: „Výnimočné vlastnosti MOF-ov – vrátane rekordne veľkých povrchov, nastaviteľných pórov a prispôsobiteľnej chémie – umožňujú riešenia niektorých z najnaliehavejších spoločenských výziev.“ businesswire.com Od čistého vzduchu a vody po čistú energiu a zdravie, MOF-y majú svoj podiel na širokej škále inovácií.
Globálna scéna: výskum, patenty a komercializácia na celom svete
Vzrušenie okolo MOF je skutočne globálne. Po počiatočných prelomoch v USA (práca profesora Yaghiho na UC Berkeley a UCLA) a Japonsku (nezávislé objavy MOF profesora Susumu Kitagawu v Kjóte) sa výskum rýchlo rozšíril po celej Severnej Amerike, Európe, Ázii a ďalej. Spojené štáty americké zostávajú veľmocou inovácií v oblasti MOF, pričom popredné univerzity (Berkeley, MIT, Northwestern atď.), národné laboratóriá a spoločnosti posúvajú hranice poznania. Niekoľko amerických startupov, často vzniknutých z akademických laboratórií, komercializuje MOF: NuMat Technologies (Illinois) sa zameriava na skladovanie plynov a dokonca predáva plynové fľaše vybavené MOF (ION-X), ktoré skladujú toxické plyny pre polovodičový priemysel bezpečnejším, podatmosférickým spôsobom businesswire.com. NuMat tiež uvádza výrobnú kapacitu približne 300 ton/rok MOF vo svojich zariadeniach businesswire.com. Mosaic Materials v Kalifornii (spomínané vyššie pre zachytávanie CO₂) a Transaera (Massachusetts, pre chladenie) sú ďalšie významné americké podniky. Priemyselný gigant BASF v Nemecku bol jedným z prvých, ktorí výrazne investovali do MOF; v 2010-tych rokoch rozšíril výrobu MOF (produkuje meďou založený MOF v tonových množstvách) a teraz má viacstotonovú ročnú kapacitu v Ludwigshafene businesswire.com. MOF od BASF (predávaný pod názvom Basolite) sa dokonca používa v niektorých komerčných produktoch, ako sú špičkové energeticky úsporné izolačné sklá a chemické filtre. Európa má silnú akademickú sieť v oblasti MOF (napr. EÚ organizuje konferencie ako EuroMOF) a Európska únia financovala projekty ako MOST-H2 (skladovanie vodíka) a AMADEUS (skladovanie amoniaku pomocou MOF) na urýchlenie aplikovaného výskumu.
Čína sa v poslednom desaťročí stala významným prispievateľom do vedy o MOF. Podľa publikačných metrík čínski výskumníci tvoria veľkú časť nových článkov a patentov o MOF – v oblastiach od zachytávania uhlíka po doručovanie liekov. Bibliometrická štúdia poznamenala, že „Čína významne prispela a drží vedúcu pozíciu v MOF v onkologickom výskume“ pmc.ncbi.nlm.nih.gov, ako jeden príklad. Hlavné čínske inštitúcie ako Jilinská univerzita, Nankai univerzita a Čínska akadémia vied majú špecializované MOF centrá, ktoré skúmajú všetko od batérií na báze MOF po katalyzátory na premenu CO₂ na palivo. Snaha čínskej vlády o uhlíkovú neutralitu do roku 2060 podnietila záujem o MOF pre technológie dekarbonizácie. Hoci Čína zatiaľ nemusí mať toľko MOF startupov známych globálne, má silnú spoluprácu medzi priemyslom a akademickou sférou. Výrazne vedie v oblasti skladovania metánu na báze MOF pre vozidlá (kde by nádrže naplnené adsorbentom mohli umožniť vozidlám na zemný plyn uchovávať viac paliva pri nižšom tlaku) a skúma MOF na zachytávanie priemyselných emisií v rámci svojich národných programov CCUS.Aktívne sú aj iné regióny: Japonsko naďalej prispieva (s výskumom priekopníkov ako Kitagawa a novšími prácami na vodivých MOF), Južná Kórea má spoločnosti ako framergy (ktorá spolupracuje s medzinárodnými skupinami na komercializácii MOF), a Austrália je domovom ARC Centre of Excellence in Exciton Science, ktoré sa zaoberá MOF pre senzory a fotokatalýzu. Na Blízkom východe je KAUST v Saudskej Arábii centrom výskumu MOF (ako bolo uvedené, podali patenty na zachytávanie uhlíka pomocou MOF) cas.org, a krajiny ako Spojené arabské emiráty a Katar majú záujem o MOF pre odsoľovanie vody a separáciu plynov, čo zodpovedá ich potrebám.
Dôležité je, že vývoj MOF už nie je obmedzený len na laboratórium. Patenty a komerčné produkty sú na vzostupe. Analýza Chemical Abstracts Service z konca roku 2024 poukázala na to, že hoci publikácie o MOF zažívajú boom, „rast patentových publikácií naznačuje, že širšia komercializácia tejto technológie je bezprostredná.“ cas.org Najmä CAS zaznamenal významnú patentovú aktivitu v oblasti aplikácií súvisiacich s dekarbonizáciou (zachytávanie uhlíka, energia, skladovanie plynov) a tiež v oblastiach ako čistá voda a senzory cas.org. To naznačuje, že spoločnosti a inštitúcie si chránia inovácie založené na MOF, keď sa pripravujú na ich nasadenie v reálnom svete. K roku 2024 bolo plne komercializovaných len niekoľko produktov využívajúcich MOF businesswire.com – príkladmi sú CO₂ filtre spoločnosti Svante, plynové nádoby NuMat, niektoré špecifické zariadenia na čistenie vzduchu a rada balíčkov na reguláciu vlhkosti na báze MOF. Zdá sa však, že sa nachádzame na bode zlomu. „Globálny trh s MOF v súčasnosti prechádza kritickým prechodom z akademického výskumu do priemyselnej aplikácie,“ uvádza správa ResearchAndMarkets, ktorá predpovedá, že odteraz bude toto odvetvie rásť približne o 30 % ročne businesswire.com. Do roku 2035 by aplikácie MOF mohli predstavovať trh v hodnote niekoľkých miliárd dolárov, najmä vďaka zachytávaniu uhlíka, skladovaniu vodíka, získavaniu vody a chemickým separáciám businesswire.com.
Výrobná stránka tiež rastie: približne 50 spoločností na celom svete v súčasnosti vyrába MOF, hoci veľká časť kapacity je sústredená u niekoľkých hráčov (ako BASF a NuMat) businesswire.com. Medzi výzvy, ktorým čelia, patrí škálovanie výroby z laboratórnych gramov na priemyselné tony pri zachovaní kvality a zároveň nákladovo efektívne businesswire.com. Povzbudivé je, že dochádza k pokroku – náklady klesajú, ako sa techniky zlepšujú, a spoločnosti vyvinuli kontinuálne výrobné metódy (na rozdiel od pomalej dávkovej syntézy), aby mohli vyrábať MOF vo väčších množstvách businesswire.com. Napríklad Promethean Particles vo Veľkej Británii používa prietokový reaktor na výrobu MOF a iných nanomateriálov a novoMOF vo Švajčiarsku ponúka zmluvnú výrobu MOF vo veľkom meradle. Tieto vývojové trendy naznačujú, že ak sa objaví veľký dopyt (napríklad tisíce ton pre jednotky na zachytávanie uhlíka), ponuková strana bude pripravená ho uspokojiť.Medzinárodná spolupráca je tiež zjavná: vedci z rôznych krajín často spoločne publikujú články o MOF a existujú globálne konferencie (napr. MOF2023 v Melbourne, MOF2024 vo Vancouveri), ktoré spájajú komunitu. To pomáha šíriť najlepšie postupy a vyhnúť sa duplicitnému úsiliu vzhľadom na obrovský chemický priestor MOF.
Výhľad: Prečo sú MOF dôležité pre udržateľnú budúcnosť
Ako sme videli, MOF-y sa nachádzajú na priesečníku pokročilej vedy o materiáloch a riešenia reálnych problémov. Často sú označované ako „game-changer“ pre udržateľnosť, pretože umožňujú procesy, ktoré boli predtým neuskutočniteľné alebo neefektívne. Zachytávanie uhlíka je ukážkovým príkladom – tým, že znižujú energetickú náročnosť odstraňovania CO₂, MOF-y by mohli umožniť širšie nasadenie zachytávania uhlíka v elektrárňach a továrňach, čím by sa výrazne znížili emisie skleníkových plynov. Ukladanie čistej energie je ďalším príkladom: MOF-y by mohli konečne spraviť vodík (a možno aj iné plyny ako metán) praktickými ako čisté palivá tým, že vyriešia problém skladovania. V oblasti čistej vody MOF-y doslova vytvárajú vodu zo vzduchu alebo lacno čistia vodu, čím riešia nedostatok a kontamináciu bez potreby veľkej infraštruktúry. V zdravotnej starostlivosti MOF-y prinášajú nádej na cielené doručovanie liekov a citlivú diagnostiku, čo môže zachraňovať životy vďaka inteligentnejším terapiám. A v celej priemyselnej chémii MOF-y ponúkajú energeticky efektívnejšie separačné a katalytické procesy, ktoré by mohli znížiť uhlíkovú stopu výroby bežných chemikálií.Je zriedkavé, aby jedna trieda materiálov ovplyvnila toľko sektorov – a práve preto sú MOF-y často prirovnávané k „novému kremíku“ alebo „novému plastu“, pokiaľ ide o transformačný potenciál. Predstavujú nový spôsob, ako budovať materiály od základov s presnosťou (preto sa často prirovnávajú k LEGO alebo Tinkertoys na molekulárnej úrovni). Tento retikulárny dizajnový prístup bol pred niekoľkými desaťročiami prevažne teoretický; dnes je to praktická súprava nástrojov, ktorú prijali chemici a inžinieri na celom svete.
Odborníci sa domnievajú, že sme na prahu toho, aby sa MOF-y posunuli z laboratórnych kuriozít na všadeprítomné pracovné materiály zabudované do rôznych technológií. „So všetkými svojimi potenciálnymi aplikáciami MOF-y poháňajú dôležité prelomové objavy v niektorých z našich najnáročnejších vedeckých oblastí,“ napísal jeden analytik ACS a dodal, že vylepšenia v oblasti AI a strojového učenia urýchľujú skríning MOF-ov, „čo znamená, že ďalšie pokroky a komerčné využitie môžu byť blízko.“ cas.org Časová os pre prenikanie MOF-ov na trh sa už skracuje: zatiaľ čo prvý MOF bol vytvorený v roku 1995, trvalo až do 20. rokov 21. storočia, kým sa objavili prvé komerčné využitia, no v najbližších rokoch môžeme vidieť desiatky produktov umožnených MOF-mi. Záujem prejavujú aj priemyselní giganti – ropné a plynárenské spoločnosti zvažujú MOF-y pre čistejšie spracovanie, technologické firmy sa pozerajú na MOF-y pre vzduchové filtre v dátových centrách a automobilky majú záujem o MOF vodíkové nádrže a CO₂ scrubbery pre vzduch v kabíne.
Globálne podpora výskumu a zavádzania MOF je v súlade s naliehavými prioritami, ako sú klimatické opatrenia, udržateľný rozvoj a pokročilá výroba. Vlády a investori financujú startupy a pilotné projekty zamerané na MOF, pričom si uvedomujú, že tieto materiály by mohli ich krajine poskytnúť konkurenčnú výhodu v oblasti čistej technológie. V USA a Európe sú MOF súčasťou plánov pre zachytávanie uhlíka a skladovanie vodíka. Najnovšie päťročné plány Číny zdôrazňujú nové materiály a udržateľnosť – oblasti, ktoré sú pre MOF priamo určené. Zapájajú sa aj medzinárodné organizácie: napríklad zachytávanie uhlíka na báze MOF bolo zdôraznené na nedávnych konferenciách CCUS decarbonfuse.com, a zber vody pomocou MOF bol pokrytý médiami ako BBC a Scientific American, čím sa tieto inovácie dostali do pozornosti verejnosti.
Samozrejme, zostávajú výzvy. Výrobné náklady a škálovateľnosť si vyžadujú ďalšie zlepšenia (hoci, ako bolo spomenuté, v tomto smere dochádza k významnému pokroku businesswire.com). Dlhodobá stabilita MOF v reálnych podmienkach (vystavenie nečistotám, opakované cykly) musí byť preukázaná individuálne pre každý prípad. A každá aplikácia musí čeliť konkurencii iných technológií (napríklad, dokáže zachytávanie uhlíka pomocou MOF prekonať nové systémy na báze rozpúšťadiel alebo membrán? Dokážu zberače vody na báze MOF prekonať tradičné odsoľovanie vo veľkom meradle?). Tieto otázky budú zodpovedané v nasledujúcich rokoch prostredníctvom demonštračných projektov a ekonomických analýz. Prvé signály sú povzbudivé: tam, kde MOF vynikajú, skutočne vynikajú – ponúkajú schopnosti, ktoré alternatívy nemajú (napríklad žiadny iný materiál nedokáže tak efektívne zachytávať vodu pri 10% vlhkosti alebo skladovať toľko vodíka v takej ľahkej forme).
Na záver, MOF-y ilustrujú silu chemickej inovácie pri riešení globálnych výziev. Začali ako zaujímavosť v chemických laboratóriách a vyvinuli sa na platformu s potenciálom urobiť priemysel čistejším, energiu udržateľnejšou a zdroje ako voda dostupnejšími. Celosvetové úsilie o vývoj MOF-ov – od amerických startupov cez čínske univerzity, európske výskumné konzorciá až po laboratóriá na Blízkom východe – podčiarkuje spoločný optimizmus v týchto materiáloch. Ako to výstižne zhrnul jeden report, MOF-y „prechádzajú od vedeckej zaujímavosti ku komerčnej realite,“ riešiac problémy v oblasti zachytávania uhlíka, vody, energie a ďalších businesswire.com. Ak budú súčasné trendy pokračovať, MOF-y môžu čoskoro ticho pracovať v zákulisí v mnohých aspektoch každodenného života, pomáhajúc realizovať zelenší a pokročilejší svet. Nabudúce, keď sa napijete vody na púšti, budete šoférovať vodíkové auto alebo dýchať čistejší vzduch v meste, možno za tým bude práve kovovo-organický rámec.
Zdroje: Najnovší výskum a odborné komentáre o MOF pochádzali z popredných vedeckých časopisov, tlačových správ univerzít a priemyselných správ, vrátane Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, Businesswire releases businesswire.com, CORDIS (EU) cordis.europa.eu a trhových analýz businesswire.com a ďalších. Tieto zdroje zdôrazňujú konsenzus, že MOF sú prelomovou platformou v materiálovej vede s rýchlo rastúcim reálnym dopadom.
