- MOF-i imajo svetovni rekord notranje površine do približno 7.000 m^2 na gram, s teoretičnimi zasnovami do 14.600 m^2/g.
- V približno 20 letih so raziskovalci ustvarili skoraj 90.000 edinstvenih struktur MOF, teorija pa napoveduje še stotine tisočev več.
- MOF-i so porozna kristalinična omrežja, zgrajena iz kovinskih vozlišč in organskih povezovalcev, ki tvorijo nastavljivo 3D mrežo, ki deluje kot molekularna goba.
- CALF-20, MOF na osnovi cinka, lahko pod industrijskimi pogoji zadrži približno eno tono CO2 na dan na kubični meter.
- ZnH-MFU-4l je prelomni MOF za zajem CO2 pri visokih temperaturah, ki selektivno veže CO2 iz vročih dimnih plinov pri približno 300 °C in zajame več kot 90 odstotkov CO2.
- DCF-1, ki ga je Decarbontek predstavil sredi leta 2025, je poceni MOF iz cinkovega oksida in citronske kisline, katerega predvidena cena je približno 10 $ na kilogram pri polnem obsegu.
- Podjetje Svante preizkuša sistem sorbenta MOF CALF-20 v cementarni, ki lahko zajame približno 1 tono CO2 na dan.
- MOF-303, aluminijev MOF za pridobivanje vode, je omogočil ročni zbiralnik v Dolini smrti leta 2023, ki je povrnil približno 85–90 % adsorbirane vode in zagotovil do 285 gramov na kilogram na dan.
- Projekt EU MOST-H2, ki se je začel leta 2022, uporablja umetno inteligenco za pregledovanje MOF-ov za shranjevanje vodika; do leta 2025 je poročal o napredku z več kot 10.000 pregledanimi strukturami in prototipi, ki dosegajo cilje DOE pri kriogenih pogojih.
- MIL-101(Cr) je mogoče razširiti iz približno 2,5 nm na 5 nm z obdelavo z ocetno kislino, kar omogoča večje nalaganje ibuprofena in 5-fluorouracila ter hitrejše sproščanje.
Prelomnica v naprednih materialih in trajnosti
Predstavljajte si material z toliko notranje površine, da že ščepec vsebuje površino, enakovredno šestim nogometnim igriščem news.berkeley.edu. Takšni kovinsko-organski ogrodji (MOF) so porozne, kristalinične spojine, sestavljene iz kovinskih vozlišč, povezanih z organskimi vezniki, ki ustvarjajo gobam podobna omrežja na molekularni ravni. Znanstveniki MOF označujejo kot materiale z »navidezno neomejenimi možnostmi« za gradnjo struktur po meri z izbranimi lastnostmi cas.org. V zadnjih 20 letih je raziskovanje MOF doživelo razcvet – ustvarjenih je bilo skoraj 90.000 edinstvenih struktur MOF (teoretično pa jih je predvidenih še več sto tisoč) cas.org. Ta porast poganja obljuba, da lahko MOF rešujejo ključne izzive na področju trajnosti in tehnologije. Od zajemanja toplogrednega ogljikovega dioksida in shranjevanja čistega vodikovega goriva do dostave zdravil in pridobivanja vode iz puščavskega zraka, so MOF na pragu prebojev na področjih od energije in okolja do biomedicine cas.orgcas.org. V tem poročilu pojasnjujemo kaj so MOF, kako delujejo in nastajajo ter zakaj veljajo za revolucionarne. Raziskali bomo glavne uporabe – vključno z zajemanjem ogljika, shranjevanjem vodika, dostavo zdravil, senzorji in pridobivanjem vode – ter izpostavili nedavne znanstvene preboje, primere iz prakse in strokovna mnenja. S pregledom globalnega dogajanja (ZDA, EU, Kitajska in drugod) ter najnovejših dosežkov bomo videli, zakaj MOF veljajo za prelomne materiale za bolj trajnostno prihodnost.
Kaj so MOF? Porozni kristali z rekordno površino
Kovinsko-organske mreže (MOF-i) so nenavaden razred materialov, zgrajenih kot molekularne sestavljanke. Sestavljene so iz kovinskih ionov ali grozdov, ki delujejo kot vozlišča, povezanih z organskimi molekulami (ligandi) kot prečkami. Te komponente se same sestavijo v odprto, kletki podobno kristalno mrežo – v bistvu tvorijo 3D porozno mrežo, ki jo držijo skupaj koordinacijske vezi cas.org. Rezultat je kristalinična goba: MOF-i imajo izjemno visoko poroznost in površino, kar pomeni, da je njihova notranjost polna majhnih votlin in kanalov, v katere lahko vstopajo druge molekule. Pravzaprav imajo MOF-i svetovni rekord po površini materiala – nekateri ponujajo do ~7.000 m^2 na gram, teoretične zasnove pa celo do 14.600 m^2/g cas.org. Za predstavo: že ena žlica tipičnega MOF-a ima lahko notranjo površino v velikosti več nogometnih igrišč, kar zagotavlja obilico prostora za adsorpcijo plinov ali drugih molekul news.berkeley.edu.
Ta ogromna notranja površina in nastavljiva porozna struktura sta tisto, kar dela MOF-e tako posebne. Z zamenjavo kovinskih vozlišč ali organskih povezovalcev lahko kemiki ustvarijo različne MOF-e s prilagojenimi velikostmi por, oblikami in kemijskimi funkcionalnostmi cas.org. Skoraj vsaka kombinacija je mogoča – eden od pionirjev tega področja, profesor Omar Yaghi (ki je prve MOF-e sintetiziral v 90. letih), je poudaril, da je bilo ustvarjenih več deset tisoč MOF-ov in “še stotisoče več” jih napovedujejo algoritmi cas.org. Ta modularna “retikularna” zasnova pomeni, da lahko znanstveniki v bistvu načrtujejo materiale po naročilu: na primer, MOF je mogoče zasnovati tako, da raje zajema molekule CO₂ ali da zasveti v prisotnosti toksina, preprosto z izbiro ustreznih gradnikov. Slaba stran te raznolikosti pa je izziv – zaradi toliko možnih struktur je težko napovedati, kateri MOF bo najboljši za določeno nalogo cas.org. (Raziskovalci vse pogosteje uporabljajo umetno inteligenco in strojno učenje za pregledovanje podatkovnih baz MOF-ov in predlaganje najbolj obetavnih kandidatov, kar bomo podrobneje obravnavali kasneje cas.org.)
Povzetek: MOF je kot ultra-fina goba ali ogrodje na nanoskali. Sestavljen je iz anorganskih in organskih delov, ki so povezani v ponovljivo mrežo, kar ima za posledico trdno snov, ki je večinoma prazen prostor. Ti prazni pori lahko gostijo molekule gostje. Ključno je, da MOF-i običajno ostanejo robustni tudi potem, ko so njihovi začetni topilni “gostje” odstranjeni – prazno ogrodje ostane nedotaknjeno in porozno, pripravljeno, da adsorbira nove molekule in jih sprosti pod pravimi pogoji en.wikipedia.org. Ta reverzibilni sprejem in sproščanje je ključen za uporabo od shranjevanja plinov do dostave zdravil. Kot pojasnjuje dr. Kurtis Carsch, kemik z UC Berkeley: “Zaradi svojih edinstvenih struktur imajo MOF-i visoko gostoto mest, kjer lahko zajamete in sprostite CO₂ pod ustreznimi pogoji” news.berkeley.edu – ali podobno zajamete in sprostite druge molekule. V bistvu MOF-i ponujajo neprimerljivo kombinacijo visoke kapacitete (zaradi ogromne površine), nastavljivosti (z oblikovanjem kemije) in reverzibilnosti, zaradi česar so močna platforma v znanosti o materialih.
Kako so MOF-i narejeni in kako delujejo?
Sintranje MOF-a je pogosto lažje, kot bi nakazovala njegova zapletena struktura. Značilno znanstveniki raztopijo vir kovine (kot je kovinska sol) in organsko povezovalno molekulo v topilu, nato pa spodbudijo nastanek kristalov s počasnim mešanjem, segrevanjem ali izhlapevanjem. Kovinski ioni in povezovalci se spontano koordinirajo in kristalizirajo v urejeno ogrodje – MOF kristal raste podobno kot sladkorni kristali iz sladkorne raztopine, le da na molekularni ravni. Veliko MOF-ov je narejenih s solvotermalnimi metodami (segrevanje sestavin v zaprti posodi), novejše tehnike pa vključujejo sintezo z mikrovalovi, sušenje s pršenjem in celo mehanokemično mletje brez topila. Izjemno je, da se MOF-i pogosto lahko samo-sestavijo v razmeroma blagih pogojih. Na primer, nedavni prebojni MOF za zajemanje ogljika, imenovan DCF-1, je sintetiziran preprosto z mešanjem cinkovega oksida s citronsko kislino v vodi – “varna, trajnostna in patentirana metoda”, ki omogoča poceni pridobitev visoko učinkovitega MOF-a businesswire.com. To ponazarja, kako raziskovalci izboljšujejo proizvodne metode, da bi znižali stroške in se izognili agresivnim kemikalijam. Kristali MOF so lahko veliki od nanometrov do milimetrov, običajno pa jih predelajo v praške ali oblikujejo v pelete in membrane za praktično uporabo.
Kako delujejo MOF-i je odvisno od adsorpcije in selektivnosti. Njihove pore delujejo kot majhne shranjevalne omarice ali pasti za molekule. Ko je MOF izpostavljen plinu ali tekočini, lahko ciljne molekule vstopijo v pore in se pritrdijo na notranje površine (prek van der Waalsovih sil, kemijskih interakcij na določenih mestih itd.). Ker imajo MOF-i zelo veliko notranjo površino in pogosto kemične skupine, ki vežejo določene molekule, lahko absorbirajo osupljive količine. Na primer, en MOF (CALF-20, okvir na osnovi cinka) lahko zadrži približno eno tono CO₂ na dan na kubični meter materiala v industrijskih pogojih businesswire.com – v bistvu deluje kot velikanska goba za ogljikov dioksid. Vendar pa je adsorpcija običajno reverzibilna: s spremembo pogojev (segrevanje MOF-a, znižanje tlaka ali izpiranje z drugim plinom) se ujete molekule sprostijo (desorbirajo) in MOF se regenerira za nov cikel news.berkeley.edu. Ta ciklični zajem in sproščanje je ključen za aplikacije, kot sta zajemanje ogljika ali shranjevanje plinov, kjer je treba MOF večkrat uporabiti. V primeru zajemanja CO₂, ko je MOF nasičen s CO₂, “se CO₂ lahko odstrani z znižanjem njegovega parcialnega tlaka – bodisi z izpiranjem z drugim plinom ali z ustvarjanjem vakuuma. MOF je nato pripravljen za ponovno uporabo v naslednjem adsorpcijskem ciklu” news.berkeley.edu.
Notranja kemija vsakega MOF-a se lahko prilagodi tako, da daje prednost določenim molekulam pred drugimi, zaradi česar so zelo selektivni. Nekateri MOF-i imajo odprta kovinska mesta ali funkcionalne skupine v svojih porah, ki delujejo kot kljuke za določene pline. Drugi so okrašeni z molekulami (kot so amini ali bakrova mesta), ki reagirajo s ciljem (kot je CO₂). Ta prilagodljivost je velika prednost – za razliko od tradicionalnih poroznih materialov (npr. aktivno oglje ali zeoliti), ki imajo fiksne lastnosti, je mogoče MOF-e načrtovati po meri. “Njihove nastavljive lastnosti so ključni dejavnik,” navaja poročilo CAS Insights, “velika specifična površina in poroznost v kombinaciji z nastavljivo kemijo dajejo MOF-om sposobnost adsorpcije plinov in hlapnih spojin, kar vzbuja veliko zanimanja za ločevanje in shranjevanje plinov, zlasti za CO₂” cas.org. Skratka, MOF-i delujejo tako, da selektivno ujamejo molekule v svojih nanoskopsko majhnih porah – podobno kot sito ali filter iz molekul – in kasneje lahko sprostijo tovor, ko so sproženi. Ta preprost koncept je osnova za različne uporabe, o katerih bomo govorili, od odstranjevanja CO₂ iz izpušnih plinov, do gostejšega shranjevanja vodikovega goriva, do prenašanja molekul zdravil po krvnem obtoku.
Glavne uporabe MOF-ov
Edinstvene sposobnosti MOF-ov, podobne gobam, jih naredijo uporabne v presenetljivo širokem naboru aplikacij. Spodaj raziskujemo nekatere izmed najbolj vplivnih uporab, ki jih danes razvijajo – skupaj z nedavnimi preboji in primeri na posameznih področjih.
Zajetje ogljika in ublažitev podnebnih sprememb
Ena najnujnejših uporab MOF-ov je zajetje ogljikovega dioksida iz dimnih plinov elektrarn ali celo neposredno iz zraka. Zmanjšanje emisij CO₂ je ključno za boj proti podnebnim spremembam, MOF-i pa se uveljavljajo kot “ena najbolj obetavnih materialov za zajemanje ogljika”, saj lahko absorbirajo CO₂ z večjo učinkovitostjo in nižjimi energetskimi stroški kot običajne metode ccarbon.info. Tradicionalna tehnologija zajemanja ogljika uporablja tekoče aminske raztopine za vezavo CO₂, vendar so amini korozivni, energetsko potratni za regeneracijo in običajno delujejo le pri razmeroma nizkih temperaturah (okoli 40–60 °C). Mnogi industrijski dimni plini pa so veliko bolj vroči (izpusti cementarn in jeklarn lahko presegajo 200–300 °C), zaradi česar je zajemanje ogljika težavno in drago, saj je treba pline najprej ohladiti news.berkeley.edu. MOF-i ponujajo potencialen preboj: mogoče jih je zasnovati tako, da zajamejo CO₂ tudi v zahtevnih pogojih, nato pa ga sprostijo z zmernim segrevanjem ali spremembo tlaka, pri čemer porabijo bistveno manj energije kot aminski čistilci ccarbon.info.
Pozno leta 2024 so kemiki z UC Berkeley poročali o prebojnem MOF-u, ki lahko zajema CO₂ iz vročih dimnih plinov brez predhodnega hlajenja. Material, znan kot ZnH-MFU-4l, vsebuje cinkove hidridne centre v svojih porah, ki močno vežejo CO₂ pri visokih temperaturah. »Ugotovili smo, da lahko MOF zajema ogljikov dioksid pri doslej neprimerljivo visokih temperaturah – temperaturah, ki so pomembne za številne procese, ki izpuščajo CO₂,« je povedal dr. Kurtis Carsch, so-prvi avtor študije. »To je bilo nekaj, kar prej ni veljalo za mogoče pri poroznih materialih.« news.berkeley.edu V simuliranih pogojih izpušnih plinov je ta MOF lahko selektivno zajel CO₂ pri ~300 °C (kar je značilno za dimne pline iz cementarn/železarn) in zajel več kot 90 % CO₂ v toku (“globoko zajemanje ogljika”), kar se lahko kosa z učinkovitostjo tekočih aminov news.berkeley.edu. Takšno delovanje pri visokih temperaturah odpravlja potrebo po porabi energije in vode za hlajenje emisij news.berkeley.edu, kar bi lahko omogočilo zajemanje ogljika v industrijah, ki jih je težko razogljičiti, kot sta jeklarstvo in cementarna. »Ker entropija pri višjih temperaturah vse bolj favorizira, da so molekule, kot je CO₂, v plinski fazi, je splošno veljalo, da je nemogoče zajeti takšne molekule s porozno trdno snovjo pri temperaturah nad 200 °C,« je poudaril profesor Jeffrey Long, vodja raziskave. »To delo dokazuje, da je z ustrezno funkcionalnostjo … mogoče doseči zajemanje CO₂ z visoko kapaciteto tudi pri 300 °C.« news.berkeley.edu Odkritje odpira novo pot za načrtovanje (uporaba kovinskih hidridnih centrov v MOF-ih) materialov za zajemanje ogljika nove generacije news.berkeley.edu.
MOF-i prav tako izstopajo v bolj konvencionalnih vlogah zajemanja CO₂. Zanimanje zagonskih podjetij in korporacij je močno naraslo: ExxonMobil je vložil patente za MOF-tehnologije za zajemanje ogljika cas.org, raziskovalci na KAUST v Savdski Arabiji pa so patentirali MOF-e za zajemanje CO₂ in ločevanje plinov cas.org. Številna zagonska podjetja tekmujejo pri komercializaciji MOF filtrov za CO₂. Na primer, Nuada (zagonsko podjetje s sedežem v EU) raziskuje MOF-sisteme, ki bi proizvajalcem cementa pomagali ujeti CO₂ iz dimnih plinov cas.org. Drugo podjetje, Mosaic Materials, je razvilo z amini funkcionaliziran MOF za zajemanje CO₂, ki je bil tako obetaven, da ga je leta 2022 prevzelo energetsko tehnološko podjetje Baker Hughes za povečanje obsega news.berkeley.edu. MOF podjetja Mosaic se preizkuša v pilotnih projektih kot alternativa tekočim aminom in celo za neposredno zajemanje CO₂ iz zraka news.berkeley.edu.Sredi leta 2025 je Decarbontek, Inc. napovedal, da komercialno proizvaja MOF adsorbent za zajemanje ogljika. Podjetje je lansiralo DCF-1 (De-Carbon Framework-1) in ga označilo kot »prelomni, nizkocenovni, visoko zmogljiv MOF, zasnovan za razširljivo zajemanje ogljika«, ki je zdaj na voljo v kilogramih ccarbon.info. »Z lansiranjem DCF-1 postavljamo nov standard za materiale za zajemanje ogljika,« je povedal dr. Yong Ding, izvršni direktor Decarbontek. »Je stroškovno učinkovit, enostaven za proizvodnjo in zelo učinkovit – kar omogoča dostopnost zajemanja ogljika v različnih industrijah.« businesswire.com DCF-1 je mogoče poceni proizvesti (z uporabo običajnega cinkovega oksida in citronske kisline) in naj bi na polni ravni stal le približno 10 $ na kg, »primerljivo z običajnimi molekularnimi siti«, pravi Ding businesswire.com. To je pomembno, ker so MOF-i dolgo veljali za predrage za množično uporabo; poceni in enostavno izdelan MOF bi lahko odstranil glavno oviro za sprejetje ccarbon.info. Material naj bi združeval visoko vezavo CO₂ z netoksičnim, na vodi temelječim proizvodnim procesom, kar je idealno za nadgradnjo tovarn ali celo zajemanje CO₂ iz zraka businesswire.com. Izdelek podjetja Decarbontek in podobni poudarjajo, kako se MOF-tehnologija na področju zajemanja ogljika premika iz laboratorija na trg.Morda je najbolj otipljiv znak napredka v pilotnih projektih: Svante, kanadsko podjetje, uporablja MOF sorbent (CALF-20, ki ga proizvaja BASF) v demonstracijskem sistemu, ki zajame približno 1 tono CO₂ na dan iz dimnih plinov cementarne businesswire.com. Ta preizkus v realnem okolju dokazuje, da se MOF-i lahko spopadejo z industrijskimi plinskimi tokovi in dejansko delujejo v terenskih pogojih. Takšen razvoj nakazuje, da bi MOF-i kmalu lahko igrali ključno vlogo v prizadevanjih za zajem, uporabo in shranjevanje ogljika (CCUS) po vsem svetu ter pomagali industriji zmanjšati emisije CO₂. Glede na to, da je zajem ogljika ključen za ublažitev podnebnih sprememb (zlasti za sektorje, ki jih ni mogoče enostavno elektrificirati), so MOF-i splošno prepoznani kot preboj “čudežnega materiala” za razogljičenje news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Z večjo učinkovitostjo in nižjimi energetskimi izgubami bi lahko zajem ogljika na osnovi MOF omogočil širšo uporabo CCUS – pomemben most do prihodnosti z neto nič emisijami, medtem ko se obnovljivi viri energije še povečujejo. Skratka, MOF-i predstavljajo močan nov nabor orodij za obvladovanje CO₂, od tovarniških dimnikov do odprtega zraka, zato to področje uporabe ostaja najbolj vroča tema v raziskavah in komercializaciji MOF-ov.
Shranjevanje vodika in čista energija
Če lahko MOF-i pomagajo odstraniti ogljik iz naših trenutnih energetskih sistemov, so prav tako pripravljeni omogočiti čiste energijske nosilce, kot je vodik, v prihodnosti. Vodik (H₂) je obetavno gorivo brez ogljika (pri gorenju nastaja le voda), vendar je učinkovito shranjevanje vodika velik izziv – H₂ je zelo nizko gost plin, stiskanje ali utekočinjanje pa je energetsko zahtevno in zahteva težke rezervoarje. MOF-i ponujajo način, kako shraniti vodik v kompaktni, varni obliki z adsorpcijo. V bistvu lahko vodikov plin naložimo v pore MOF-a z visoko gostoto (zlasti pri nižjih temperaturah), kot jajca v škatli za jajca, in ga nato sprostimo, ko ga potrebujemo. Ameriško ministrstvo za energijo in drugi so postavili cilje za materiale za shranjevanje vodika (glede na masni delež in prostornino shranjenega H₂), nekateri MOF-i pa so te cilje pri kriogenih temperaturah že skoraj dosegli ali presegli.
V Evropi potekajo usklajena prizadevanja za izkoriščanje MOF-ov za shranjevanje vodika. EU-financirani projekt MOST-H2 (začet leta 2022) razvija krio-adsorptivne sisteme za shranjevanje vodika z uporabo naprednih MOF-ov cordis.europa.eu. Pri krio-adsorpciji se vodik ohladi (običajno na temperaturo tekočega dušika, ~77 K) in adsorbira na porozni material, kar omogoča visoko gostoto brez ekstremnih pritiskov. “Skrivno orožje projekta je posebna vrsta poroznega kristaliničnega materiala, imenovanega MOF,” ki ga oblikujejo v monolitne MOF adsorbente z optimalno kombinacijo volumetrične in gravimetrične kapacitete cordis.europa.eu. Do leta 2025 so raziskovalci MOST-H2 poročali o “pomembnem napredku” – združili so AI-podprto iskanje z eksperimenti za identifikacijo novih MOF spojin, ki presegajo splošno sprejete cilje tako za gravimetrično kot volumetrično kapaciteto shranjevanja vodika cordis.europa.eu. Ti preboji so bili zavarovani s patentnimi prijavami cordis.europa.eu, kar poudarja njihovo inovativnost. V praksi lahko MOF prototipi ekipe shranjujejo vodik z visoko gostoto v krio pogojih, v materialih, ki so enostavni in varni za rokovanje (brez izjemno visokih pritiskov) in imajo “zelo majhen okoljski odtis” cordis.europa.eu. Končni cilj je integracija teh MOF-ov v celovito “od laboratorija do rezervoarja” rešitev za shranjevanje vodika za aplikacije, kot so vozila na vodikov pogon (projekt raziskuje študije primerov za vlake na vodikov pogon v Avstriji in Italiji) cordis.europa.eu.Ena izmed pomembnih značilnosti tega prizadevanja je uporaba strojnega učenja za pospešitev odkrivanja. Projekt MOST-H2 je razvil orodje umetne inteligence za napovedovanje, katere MOF strukture bi bile optimalne za shranjevanje vodika, s čimer so ustvarili »robustno bazo podatkov visoko zmogljivih materialov« in pokazali, kako lahko računalniške metode preoblikujejo razvoj MOF cordis.europa.eu. Z virtualnim pregledom več kot 10.000 MOF struktur in nato laboratorijskim testiranjem najboljših kandidatov je ekipa uspela identificirati več zvezdnih materialov, ki so jih takoj patentirali cordis.europa.eu. Ta pristop močno zmanjša potrebo po poskusih in napakah, ki so običajno potrebni v raziskavah in razvoju materialov. Posledično so MOF-i iz projekta na dobri poti, da dosežejo ali presežejo stroge cilje shranjevanja, potrebne za praktične rezervoarje za gorivo, pri tem pa ostajajo stroškovno učinkoviti in stabilni skozi številne cikle cordis.europa.eu. Z zasnovo rezervoarja na osnovi MOF se ukvarjajo tudi z optimizacijo naprednega modeliranja prenosa toplote in mase ter analizo življenjskega cikla, da zagotovijo možnost povečave in integracije v dejanska vozila cordis.europa.eu.
Poleg tega projekta so drugi raziskovalci pokazali MOF-e, ki so sposobni izjemnega shranjevanja vodika. Na primer, MOF-74 (dobro znan okvir) lahko absorbira več vodika kot katerikoli neprezračen rezervoar pri 77 K, kar kaže na potencial MOF-ov za odpravo ozkega grla pri shranjevanju vodika innovations-report.com. Splošna strategija je delovanje blizu kriogenih temperatur – kar se morda sliši energetsko zahtevno, vendar lahko tehnike, kot so pametna izolacija ali uporaba »brezplačnega« hlajenja iz izparevanja tekočega vodika, to naredijo izvedljivo. Rezultat bi bili lahki, visoko zmogljivi rezervoarji za vodik za avtomobile na gorivne celice, avtobuse ali letala, ki ne potrebujejo 700-barovskega stiskanja ali izjemno težkih posod. Takšni rezervoarji bi lahko bili »trdninska« vodikova baterija, kjer MOF zrnca varno zadržujejo vodik pri zmernih tlakih. Raziskovalci preučujejo tudi MOF-e za shranjevanje vodika pri sobni temperaturi, čeprav še noben material ne izpolnjuje vseh ciljev DOE pri sobnih pogojih.
Skratka, MOF-i so v ospredju reševanja dileme shranjevanja vodika. Delujejo kot nano-gobe, ki gosto zapakirajo molekule vodika z adsorpcijo, kar omogoča, da se v določen volumen pri določenem tlaku shrani več vodika. Trenutni MOF-i v kombinaciji s kriogenim hlajenjem so pokazali rekordne kapacitete – v nekaterih primerih presegajo tisto, kar lahko doseže tekoči vodik na volumen – kar bi lahko omogočilo, da vozila na vodikov pogon prevozijo večjo razdaljo z enim rezervoarjem in se hitreje napolnijo. Ob globalnem zanimanju za vodik kot čist energent (za promet, shranjevanje v omrežju in industrijo) so napredki, kot so rezervoarji na osnovi MOF-ov, ključni. Dejstvo, da se vlagajo patenti in financirajo večletni projekti v EU in drugod, kaže na zaupanje, da bodo MOF-i igrali ključno vlogo v vodikovi ekonomiji. Kot je zapisano v enem izmed poročil EU, ti inovativni materiali obetajo »poceni, učinkovite in okolju prijazne rešitve za shranjevanje vodika« za evropske podnebne cilje cordis.europa.eu – izjava, ki odmeva po vsem svetu, saj države vlagajo v infrastrukturo za H₂.
Dostava zdravil in biomedicinske aplikacije
MOF-i niso namenjeni le energiji in okolju – povzročajo tudi preboj v biomedicini kot novi sistemi za dostavo zdravil in slikovni agensi. V farmacevtskem kontekstu lahko MOF-i delujejo kot nanoskopski nosilci terapevtskih molekul. Ideja je, da se zdravilo (ki je lahko majhna molekula, protein ali celo nukleinska kislina) naloži v pore MOF-a in nato prenese skozi telo, zaščiteno z MOF kletko. Porozna struktura lahko včasih zaščiti zdravilo pred prezgodnjo razgradnjo, usmeri njegovo sproščanje na določenem mestu ali omogoči počasno, nadzorovano sproščanje skozi čas. MOF-e je mogoče celo zasnovati tako, da se odzovejo na dražljaje (kot sta pH ali svetloba) in sprožijo sproščanje zdravila na ukaz jnanobiotechnology.biomedcentral.com. To je hitro razvijajoče se področje raziskav v nanomedicini.
Ena od prednosti MOF-ov je njihova visoka nosilnost – zaradi svoje ogromne površine lahko prenesejo veliko količino zdravila glede na svojo težo. Poleg tega je mogoče veliko MOF-ov izdelati iz biokompatibilnih komponent (npr. cinkove ali železove vozlišča z užitnimi organskimi kislinami), kar pomeni, da se lahko v telesu razgradijo v netoksične stranske produkte cas.org. Pravzaprav so nekateri MOF-i bioprijazni in biorazgradljivi, zaradi česar so privlačni za uporabo v živih organizmih cas.org. Raziskovalci so skovali izraz »nano-MOF-i« za zelo majhne delce MOF (običajno 50–200 nanometrov), zasnovane za injekcijo v krvni obtok ali dostavo v celice axial.acs.org. Nekateri od teh nano-MOF-ov so že napredovali do kliničnih preskušanj za zdravljenje raka axial.acs.org – na primer kot nosilci za kemoterapevtska zdravila ali za izboljšanje radioterapije. To kaže na resnični potencial MOF-ov kot platforme v medicini.Nedavna študija iz leta 2024 je pokazala, kako lahko preprosta kemijska prilagoditev izboljša učinkovitost MOF-ov pri dostavi zdravil. Znanstveniki z Univerze v Miamiju so vzeli dobro poznan MOF, imenovan MIL-101(Cr) (okvir na osnovi kroma z velikimi porami), in ga učinkovito »napihnili« z dodatnim sintezno korakom acs.org. Kristale MOF so obdelali z malo ocetne kisline (podobne kisu), da so povečali velikost por iz približno 2,5 nm na 5 nm, s čimer so povečali notranjo površino acs.org. Te »pore-razširjene« delce MOF so nato napolnili z dvema modelnima zdraviloma – ibuprofenom (protivnetno zdravilo) in 5-fluorouracilom (kemoterapevtsko zdravilo) – da bi testirali kapaciteto in kinetiko sproščanja. Rezultati so bili presenetljivi: »Napihnjeni MOF-i so zadržali več ibuprofena ali kemoterapevtskega zdravila v primerjavi z izvirno različico in so imeli izboljšano učinkovitost kot potencialno sredstvo za dostavo zdravil.« acs.org Ker so bile pore večje, je noter lahko prišlo več molekul zdravila, in dejansko je modificirani MOF absorbiral večjo količino obeh zdravil kot nemodificirani MIL-101 acs.org. Poleg tega je v eksperimentih sproščanja MOF z razširjenimi porami sprostil zdravila bistveno hitreje kot izvirnik, zaradi večjih odprtin, ki so delovale kot široka »vrata« za izhod molekul acs.org. Hitrejše sproščanje je lahko koristno za hitro doseganje terapevtskih ravni, medtem ko bi s drugimi prilagoditvami lahko dosegli nadzorovano počasno sproščanje. Raziskovalci vidijo to preprosto metodo izpiranja s kislino kot način za prilagajanje profilov dostave MOF-ov za različne potrebe acs.org. Kot pravijo, »tovrstne preproste spremembe bi lahko maksimirale učinkovitost MOF-ov v prihodnjih aplikacijah za dostavo zdravil«, trenutno pa raziskujejo, kako doseči počasno, dolgotrajno sproščanje v določenih časovnih okvirih z oblikovanjem porne strukture acs.org.To je le en primer od mnogih. Druge študije so pokazale, da lahko MOF-i prenašajo kombinacije zdravil, ščitijo občutljive biomolekule, kot so proteini ali RNA, in celo omogočajo ciljno dostavo do tumorjev (z vezavo ciljnih ligandov na MOF). Ker lahko kombinirate različne kovinske centre, so raziskovalci ugotovili, da izbira kovine vpliva na hitrost sproščanja – na primer, ena študija je pokazala, da so MOF-i iz magnezija sprostili testno zdravilo hitreje kot tisti iz cirkonija, kar nakazuje, da bolj topni kovinski vozli vodijo do hitrejše razgradnje ogrodja in sproščanja zdravila axial.acs.org. Takšna spoznanja usmerjajo načrtovanje MOF-ov za “sproščanje zdravil na zahtevo” in teranostiko (terapija + diagnostika). Pomembno je, da lahko MOF-i služijo tudi kot kontrastna sredstva ali slikovne sonde; nekateri vključujejo luminescentne lantanide ali radioaktivne izotope za sledenje, drugi pa izboljšujejo MRI signale. Luminescentne lastnosti določenih MOF-ov so celo omogočile biosenzorje, ki lahko zaznajo biomarkerje ali okoljske toksine s spremembo fluorescence cas.org – s čimer se briše meja med dostavo zdravil in zaznavanjem.Ključno je, da zgodnje varnostne študije kažejo, da so ustrezno formulirani MOF-i lahko netoksični in biorazgradljivi v telesu cas.org. Na primer, MOF-i iz železa ali cinka s prehranskimi vezniki se lahko razgradijo v hranila ali izločijo. Ta biokompatibilnost, skupaj z veliko nosilnostjo in vsestranskostjo, je strokovnjake spodbudila, da MOF-e označujejo kot “obetaven nov razred pametnih nosilcev zdravil” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Čeprav nobeno zdravilo na osnovi MOF še ni prišlo na trg, klinične študije, ki so v teku, nakazujejo, da je to le vprašanje časa. V bližnji prihodnosti bi nanodelci MOF lahko dostavljali kemoterapijo bolj neposredno rakavim celicam in tako zmanjšali stranske učinke ali delovali kot “nano-protitelesa”, ki absorbirajo strupene snovi v telesu. Raziskovalni zagon je močan – ena od preglednih študij je naštela več deset sistemov za dostavo zdravil z MOF-i za rak, HIV, diabetes in več v raziskavah pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Če bodo ti napori uspešni, bi MOF-i lahko uvedli novo ero precizne medicine, kjer zdravljenje ne bo več le stvar molekule zdravila, temveč tudi pametnega nosilca, ki ga prenaša.
Senzorji in zaznavanje
Zaradi svoje nastavljive kemije in pogosto lastne luminiscence so MOF-i postali močne komponente v kemijskih senzorjih. Majhna sprememba v strukturi MOF-a – na primer vezava gostujoče molekule ali prenos elektrona – se lahko prevede v zaznaven optični ali električni signal. To naredi MOF-e odlične za zaznavanje sledov spojin v okolju, hrani ali celo v človeškem telesu. Raziskovalci so ustvarili senzorje na osnovi MOF-ov za širok nabor tarč: ione težkih kovin, eksplozive (kot so hlapi TNT), nevarne industrijske pline in biomarkerje za bolezni, če naštejemo le nekatere sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Eden izmed priljubljenih pristopov so luminiscentni MOF-i (pogosto imenovani LMOF-i). To so MOF-i, ki bodisi naravno fluorescirajo ali fosforescirajo, ali pa so dopirani s fluorescenčnimi molekulami/kovinskimi ioni. Ko ciljni analit vstopi v pore MOF-a, lahko povzroči spremembo luminiscence – morda jo ugasne, okrepi ali spremeni njeno barvo. Na primer, določeni MOF-i, ki vsebujejo lantanoidne kovine, oddajajo močan signal, ki ga lahko selektivno ugasnejo določene kemikalije, kar omogoča zaznavanje teh kemikalij pri zelo nizkih koncentracijah pubs.rsc.org. Obstajajo MOF-i, ki delujejo kot vklopni senzorji za kovinske ione, kot je aluminij (zasvetijo le, ko se ion veže) pubs.acs.org, ali kot senzorji, ki spreminjajo barvo za pH ali kisik. Ker imajo MOF-i modularno strukturo, lahko snovalci senzorjev vgradijo prepoznavna mesta neposredno v ogrodje. Predstavljajte si MOF, ki ima vezavna mesta popolne velikosti za molekulo onesnaževala – ko je onesnaževalo ujeto, sproži prenos elektrona ali energije, zaradi česar se fluorescenca MOF-a zmanjša ali spremeni barvo. Takšna specifičnost je pri zaznavanju zelo cenjena.
Ključna prednost MOF senzorjev je, da jih je mogoče narediti zelo občutljive in selektivne, hkrati pa ostajajo stabilni. MOF-i pogosto delujejo v različnih okoljih (nekateri so stabilni v vodi, za zaznavanje v vodi). Raziskovalci so celo razvili senzorje na osnovi MOF-ov, ki lahko zaznajo biomarkerje v kompleksnih tekočinah, kot sta urin ali kri, tako da v enem koraku filtrirajo in ujamejo tarčo sciencedirect.com. Druga vznemirljiva smer so elektrokemijski MOF senzorji: prevodni MOF-i ali kompoziti lahko ustvarijo električni tokovni odziv, ko se adsorbira plin ali hlap, in delujejo kot nova vrsta “elektronskega nosu” orcasia.org.
Pomembno je, da so številni MOF-i izdelani iz razmeroma neškodljivih komponent, zato je njihova uporaba v potrošniških ali biomedicinskih senzorjih izvedljiva. Analitik iz CAS je poudaril, da so MOF-i lahko odlični kot biosenzorji, saj so nekateri »nizko toksični in biorazgradljivi«, še posebej tisti, ki se uporabljajo pri luminescenčni detekciji cas.org. To pomeni, da bi lahko bila sondo, prevlečeno z MOF-om, nekoč mogoče uporabiti in vivo (znotraj telesa) za spremljanje stanja ali pa bi lahko MOF delci bili del diagnostičnega testa, ki se po uporabi varno raztopi. MOF senzorji so že bili preizkušeni za zaznavanje strupenih težkih kovin v vodi (kjer MOF fluorescira v prisotnosti živega srebra ali svinca) pubs.acs.org, onesnaževal v hrani (pesticidi ali antibiotiki, ki povzročijo spremembo emisije MOF-a) sciencedirect.com, in celo kot nosljivi senzorji za analizo diha.Eden izmed primerov v razvoju je MOF-senzorska matrika za zaznavanje eksplozivov in kemičnih bojnih sredstev. Z uporabo več MOF-ov, od katerih je vsak nastavljen za odziv na različne kemijske oblike, lahko matrika ustvari edinstven prstni odtis za določeno snov (podobno kot naš nos razlikuje vonjave). Drug primer: raziskovalci so ustvarili luminescenčni MOF senzor, ki lahko hitro zazna pokvarjeno hrano z zaznavanjem aminovih hlapov iz razgradnje mesa, kar se pokaže kot sprememba barve sciencedirect.com. Te ustvarjalne rešitve kažejo, kako lahko MOF-i prispevajo k javnemu zdravju in varnosti.
Skratka, MOF-i prinašajo visoko občutljivost, prilagodljivost in stabilnost v senzorsko tehnologijo. V nekaterih primerih lahko zaznajo molekule na ravni delcev na milijardo, njihov odziv pa je mogoče zasnovati tako, da je enostavno berljiv (sprememba barve, vidna s prostim očesom, ali sprememba toka/napetosti za elektronsko odčitavanje). Ker postajajo standardi za okoljsko spremljanje in varnost hrane strožji, bi lahko MOF senzorji zaradi svoje natančnosti in praktičnosti našli široko uporabo. Dejstvo, da je mogoče MOF-e izdelati v tanke filme ali praške, ki prevlečejo naprave, pomeni, da je integracija v senzorsko strojno opremo povsem izvedljiva. Podjetja in raziskovalni laboratoriji po vsem svetu aktivno patentirajo MOF senzorske zasnove cas.orgcas.org, kar nakazuje, da bomo kmalu videli komercialne senzorske izdelke, ki izkoriščajo MOF tehnologijo – od pametnih kuhinjskih senzorjev za zaznavanje pokvarjenosti do ročnih detektorjev za kakovost zraka in varnostne grožnje. To je živahno področje, kjer se kemija in inženirstvo srečujeta, MOF-i pa so v ospredju pri tem, da naš svet postane bolj zaznaven in merljiv v drobnih podrobnostih.
Pridobivanje vode in tehnologije za čisto vodo
Morda ena najbolj futuristično zvenečih uporab MOF-ov – a že dokazana v resničnem življenju – je pridobivanje pitne vode iz zraka. Pridobivanje vode iz atmosfere je tehnologija, katere cilj je iz zraka (tudi v sušnih puščavskih podnebjih) pridobiti vlago za zagotavljanje sveže vode. Tradicionalni razvlaževalci ali mreže za meglo potrebujejo razmeroma vlažen zrak ali veliko energije. Toda MOF-i so pokazali sposobnost zajema vode iz izjemno suhega zraka (do 10–20 % relativne vlažnosti) in nato sproščanja z minimalnim vložkom energije, zaradi česar so idealni za pridobivanje vode izven omrežja v sušnih regijah.
Koncept je zasnoval profesor Omar Yaghi (izumitelj MOF-ov) s sodelavci. Leta 2017 so prvič poročali o MOF-u (MOF-801), ki je lahko pridobival vodo iz puščavskega zraka, pri čemer je kot vir energije uporabljal le sončno svetlobo. Preskok v leto 2023 in tehnologija je močno napredovala. Raziskovalci z UC Berkeley so predstavili ročno napravo za pridobivanje vode z uporabo MOF-ov, ki so jo preizkusili v Dolini smrti – enem najbolj suhih in vročih krajev na Zemlji. Naprava, velika približno kot manjši nahrbtnik in v celoti napajana s sončno svetlobo iz okolja, je večkrat zajemala vodo ponoči in jo čez dan sproščala kot tekočino. »Ti preizkusi so pokazali, da lahko naprava zagotovi čisto vodo kjerkoli,« je poročala ekipa in jo označila kot nujno rešitev, saj »podnebne spremembe še poslabšujejo sušne razmere.« cdss.berkeley.edu MOF-naprava je lahko pridobivala vlago iz zraka z le 10 % vlažnostjo in proizvedla do 285 gramov vode na kilogram MOF-a na dan na terenu cdss.berkeley.edu. (~285 g je približno ena skodelica vode; laboratorijski testi v idealnih pogojih dajejo še več.) Impresivno je, da je to dosegla z nič zunanjo energijo razen sončne svetlobe, kar pomeni nič emisij toplogrednih plinov ali potrebne elektrike cdss.berkeley.edu. To je mogoče, ker MOF najprej adsorbira vodno paro iz hladnega nočnega zraka; nato sonce podnevi segreje MOF, kar povzroči sproščanje vode v obliki pare, ki se v zbiralniku kondenzira v tekočino. MOF lahko deluje več ciklov brez izgube učinkovitosti in ga je mogoče regenerirati preprosto s sušenjem, zaradi česar je robustna vodna goba za dolgotrajno uporabo cdss.berkeley.edu.
MOF, uporabljen v najnovejši napravi, je aluminijev okvir (imenovan MOF-303), ki ima močno afiniteto do vode, vendar jo tudi sprosti pri zmernih temperaturah (~80 °C). Ta MOF je bil izbran zaradi svoje izjemne učinkovitosti: lahko pridobiva vodo tudi v izjemno suhih pogojih in je stabilen skozi tisoče ciklov businesswire.com. Pravzaprav je bil MOF-303 uspešno preizkušen v Dolini smrti, kar potrjuje njegovo praktično uporabo v ekstremnih okoljih businesswire.com. Med preizkusi je naprava dosegla izkoristek vode približno 85–90 % adsorbirane vode v vsakem ciklu cdss.berkeley.edu, kar pomeni, da se je zelo malo zajete vlage izgubilo. Dr. Yaghi, ki je vodil študijo, objavljeno v Nature Water (julij 2023), je poudaril pomen: »Skoraj tretjina svetovnega prebivalstva živi v območjih s pomanjkanjem vode. ZN napoveduje, da bo do leta 2050 skoraj 5 milijard ljudi izkusilo pomanjkanje vode… To je zelo pomembno za izkoriščanje novega vira vode.« cdss.berkeley.edu Z izkoriščanjem ogromnega rezervoarja vode v ozračju (tudi v puščavah je nekaj vlage v zraku) MOF naprave ponujajo mamljiv nov vir vode, ki je decentraliziran in trajnosten. Za razliko od velikih naprav za razsoljevanje (ki potrebujejo elektriko in morsko vodo) je MOF zbiralnik lahko osebna ali vaška naprava, ki deluje kjerkoli, kjer sta zrak in sončna svetloba.Komercialna prizadevanja so zdaj v teku za povečanje obsega naprav za pridobivanje vode z MOF-i. Več zagonskih podjetij, pogosto v sodelovanju z univerzami, razvija to tehnologijo. Po nedavnem tržnem poročilu podjetja, kot so Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule in Transaera, izkoriščajo vrhunske adsorpcijske lastnosti MOF-ov za gradnjo naslednje generacije hladilnih in vodnih sistemov businesswire.com. Ti sistemi naj bi lahko proizvedli do 0,7 litra vode na kilogram MOF-a na dan tudi v sušnih razmerah businesswire.com – približno dvakrat več kot začetni prototipi – zahvaljujoč izboljšanim materialom in zasnovam. Transaera na primer vgrajuje MOF-e v izjemno učinkovite klimatske naprave, ki ne le hladijo zrak, temveč kot dodatek zbirajo tudi vodo (Transaera je bila finalistka na Global Cooling Prize). Drug projekt podjetja AQUAml (povezanega z MIT) uporablja MOF-e za osebne steklenice za vodo, ki se polnijo iz zračne vlage. Dejstvo, da MOF-i delujejo pri nizki vlažnosti, pomeni tudi, da jih je mogoče uporabiti za pasivno razvlaževanje v HVAC sistemih, kar omogoča učinkovitejše hlajenje z izsuševanjem zraka brez kondenzacijskih tuljav cas.org.
Naprava za pridobivanje vode z MOF-i je odličen primer, kako lahko ti materiali naslovijo humanitarne potrebe in prilagajanje na podnebne spremembe. Na območjih s kontaminiranimi viri vode bi MOF-naprave lahko zagotavljale varno pitno vodo z minimalno infrastrukturo. Prav tako jih je mogoče modularno povečevati – lahko bi namestili na stotine MOF-enot za podporo skupnosti ali eno samo enoto za družino. Raziskovalci si celo predstavljajo samonapolnilne steklenice za vodo za pohodnike in generatorje vode za vojake na terenu, vse na pogon MOF-ov in sončne svetlobe. Čeprav sta naslednja izziva strošek in povečanje proizvodnje, je dosedanji napredek izjemno obetaven. Kot je zapisal en članek, naprave za pridobivanje vode iz zraka z MOF-i dajejo občutek, kot da gre za »kemijo na meji čarovnije«, saj nekaj tako neotipljivega, kot je zrak, spremenijo v eno najpomembnejših življenjskih virov. Ker podnebne spremembe povzročajo pogostejše suše, bi lahko takšne tehnologije bile prelomne za vodno varnost in navdihujoča uporaba naprednih materialov za družbeno dobro.
Drugi novi načini uporabe (kataliza, baterije in drugo)
Poleg zgoraj omenjenih glavnih uporab MOF-ov, ti izkazujejo svojo vsestranskost tudi na številnih drugih področjih. Njihova velika specifična površina, prilagodljivost in sposobnost vključevanja aktivnih kovin ali funkcionalnih skupin jih naredijo idealne za katalizo – pospeševanje kemijskih reakcij. MOF-i lahko služijo kot katalizatorji sami ali kot prekurzorji katalitskih materialov. Na primer, MOF-i z odprtimi kovinskimi mesti so bili uporabljeni za katalizo pretvorbe CO₂ v goriva, materiali pridobljeni iz MOF-ov (kot so ogljikove strukture, ki zadržijo kovino iz MOF-a), pa so pokazali odlično učinkovitost v elektrokatalizi (npr. za redukcijo kisika v gorivnih celicah) cas.org. Ena študija je pokazala, da so dušikovo dopirane ogljikove nanocevke, pridobljene iz MOF-a, imele »izboljšano elektrokatalitsko aktivnost in stabilnost« pri elektrolizi vode v primerjavi s standardnimi katalizatorji cas.org. Zmožnost načrtovanja atomske strukture katalizatorja preko MOF-ov (včasih imenovano »nano-livanje«) je zelo privlačna v zeleni kemiji in industrijskih procesih.
MOF-i se raziskujejo tudi v napravah za shranjevanje energije. Raziskovalci preizkušajo MOF-e kot elektrodne materiale v litij-ionskih baterijah, kjer lahko porozna struktura sprejme litijeve ione in potencialno izboljša kapaciteto ali hitrost polnjenja cas.org. Nekateri MOF-i (ali njihovi derivati) so bili raziskani kot materiali za superkondenzatorje za hitro shranjevanje energije cas.org. Čeprav so večinoma MOF-i izolatorji, se je pojavila nova podskupina prevodnih MOF-ov, ki lahko prenašajo elektrone in bi jih lahko uporabili v elektroniki ali senzorjih. Obstajajo celo MOF-i z lastnimi magnetnimi ali feroelektričnimi lastnostmi, ki jih preučujejo za napredne funkcionalne naprave.
Drugo področje, kjer prihaja do inovacij z MOF-i, je ločevanje in čiščenje plinov v kemijski industriji. Dotaknili smo se zajemanja ogljika, vendar lahko MOF-i ciljajo tudi na druge zahtevne ločitve – na primer, izolacijo propena iz propana (ključni korak v proizvodnji plastike) ali odstranjevanje nečistoč iz zemeljskega plina. Podjetja, kot je UniSieve, so razvila membrane na osnovi MOF-ov, ki delujejo kot molekularna sita in omogočajo energetsko učinkovite ločitve. V enem primeru je MOF-membrana uspela ločiti propen do 99,5 % čistosti iz propana businesswire.com, kar ponuja potencialno nizkoenergijsko alternativo destilaciji (ki običajno porabi ogromno energije za takšne ločitve). Podobno se MOF-filtri raziskujejo za recikliranje hladilnih sredstev, čiščenje industrijskih topil in celo za sanacijo jedrskih odpadkov (zajetje radioaktivnega joda ali ksenona).
Na področju elektronike in senzorjev so raziskovalci izdelali na MOF osnovane tanke filme, ki so selektivni za določene pline, kar bi lahko vodilo do razvoja novih vrst plinskih senzorjev ali celo membran za gorivne celice. Sanacija okolja je še ena niša – MOF-i lahko zajamejo onesnaževala, kot so PFAS (“večne kemikalije”) iz vode zaradi svoje nastavljive adsorpcije, nekateri fotokatalitični MOF-i pa lahko pod svetlobo razgradijo organske onesnaževalce.Nazadnje imajo MOF-i tudi nekaj domiselnih, a zanimivih potencialnih uporab: kaj pa MOF tkanine, ki absorbirajo vonjave ali kemične snovi (za zaščitna oblačila)? Ali pa MOF premazi v hladilnikih, ki absorbirajo etilen in ohranjajo hrano svežo? Vse te ideje so v fazi testiranja. Ključna ugotovitev je, da MOF-i predstavljajo platformni material: tako kot so polimeri ali silicij našli nešteto uporab, so MOF-i švicarski nož v svetu materialov. Kot je zapisal eden izmed tržnih analitikov, “Izjemne lastnosti MOF-ov – vključno z rekordno velikimi površinami, nastavljivimi porami in prilagodljivo kemijo – omogočajo rešitve za nekatere najbolj pereče izzive družbe.” businesswire.com Od čistega zraka in vode do čiste energije in zdravja, MOF-i puščajo svoj pečat na številnih inovacijah.
Globalna slika: raziskave, patenti in komercializacija po svetu
Vznemirjenje okoli MOF-ov je resnično globalno. Po začetnih prebojih v ZDA (delo profesorja Yaghija na UC Berkeley in UCLA) in na Japonskem (neodvisna odkritja MOF profesorja Susumu Kitagawe v Kyotu) se je raziskovanje hitro razširilo po Severni Ameriki, Evropi, Aziji in drugod. Združene države Amerike ostajajo gonilna sila inovacij na področju MOF-ov, z vodilnimi univerzami (Berkeley, MIT, Northwestern itd.), nacionalnimi laboratoriji in podjetji, ki premikajo meje. Več ameriških zagonskih podjetij, pogosto izšla iz akademskih laboratorijev, komercializira MOF-e: NuMat Technologies (Illinois) se osredotoča na shranjevanje plinov in je celo prodajalo jeklenke za plin z MOF-i (ION-X), ki shranjujejo strupene pline za polprevodniško industrijo na varnejši, podatmosferski način businesswire.com. NuMat prav tako poroča o proizvodni zmogljivosti približno 300 ton/leto MOF-ov v svojih obratih businesswire.com. Mosaic Materials v Kaliforniji (prej omenjen za zajem CO₂) in Transaera (Massachusetts, za hlajenje) sta drugi pomembni ameriški podjetji. Industrijski velikan BASF v Nemčiji je bil eden prvih, ki je močno investiral v MOF-e; v 2010-ih je povečal proizvodnjo MOF-ov (proizvodnja bakrovega MOF-a v tonskih količinah) in ima zdaj večsto-tonsko letno zmogljivost v Ludwigshafnu businesswire.com. BASF-ov MOF (prodajan pod imenom Basolite) se uporablja celo v nekaterih komercialnih izdelkih, kot so visokokakovostna energijsko učinkovita izolacijska stekla in kemični filtri. Evropa ima močno akademsko mrežo na področju MOF-ov (npr. EU organizira konference, kot je EuroMOF), Evropska unija pa je financirala projekte, kot sta MOST-H2 (shranjevanje vodika) in AMADEUS (shranjevanje amoniaka z MOF-i), da bi pospešila uporabne raziskave.
Kitajska se je v zadnjem desetletju izkazala kot plodovit prispevalec k znanosti o MOF. Pravzaprav po merilih objav kitajski raziskovalci predstavljajo velik delež novih člankov in patentov o MOF – na področjih od zajemanja ogljika do dostave zdravil. Bibliometrična študija je poudarila, da »Kitajska je pomembno prispevala in ima vodilni položaj na področju MOF v raziskavah raka« pmc.ncbi.nlm.nih.gov, če navedemo le en primer. Večje kitajske institucije, kot so Univerza Jilin, Univerza Nankai in Kitajska akademija znanosti, imajo posebne centre za MOF, ki raziskujejo vse od MOF-baterij do katalizatorjev za pretvorbo CO₂ v gorivo. Kitajska vladna pobuda za ogljično nevtralnost do leta 2060 je spodbudila zanimanje za MOF pri tehnologijah razogljičenja. Čeprav Kitajska morda še nima toliko zagonskih podjetij MOF, ki bi bila znana po svetu, ima močno sodelovanje med industrijo in akademsko sfero. Omeniti velja, da Kitajska vodi na področju shranjevanja metana na osnovi MOF za vozila (na področju, kjer bi rezervoarji, napolnjeni z adsorbenti, lahko omogočili vozilom na zemeljski plin shranjevanje več goriva pri nižjem tlaku) in raziskuje MOF za zajem industrijskih emisij v okviru svojih nacionalnih programov CCUS.
Tudi druge regije so aktivne: Japonska še naprej prispeva (z raziskavami pionirjev, kot je Kitagawa, in novejšim delom na prevodnih MOF), Južna Koreja ima podjetja, kot je framergy (ki sodeluje z mednarodnimi skupinami pri komercializaciji MOF), in Avstralija gosti ARC Center odličnosti za eksitonsko znanost, ki preučuje MOF za zaznavanje in fotokatalizo. Na Bližnjem vzhodu je KAUST iz Savdske Arabije središče raziskav MOF (kot je omenjeno, so vložili patente za zajemanje ogljika z MOF) cas.org, države kot Združeni arabski emirati in Katar pa jih zanimajo MOF za razsoljevanje vode in ločevanje plinov, kar je v skladu z njihovimi potrebami.
Pomembno je, da razvoj MOF-ov ni več omejen le na laboratorij. Število patentov in komercialnih izdelkov narašča. Analiza, ki jo je Chemical Abstracts Service izvedel konec leta 2024, je poudarila, da so se MOF publikacije močno povečale, »rast patentnih objav pa nakazuje, da je širša komercializacija te tehnologije neizbežna.« cas.org Zlasti je CAS zaznal pomembno patentno dejavnost na področju aplikacij, povezanih z razogljičenjem (zajemanje ogljika, energija, shranjevanje plinov) in tudi na področjih, kot so čista voda in senzorji cas.org. To kaže, da podjetja in inštituti ščitijo inovacije na osnovi MOF-ov, saj se pripravljajo na uporabo v resničnem svetu. Do leta 2024 je bilo popolnoma komercializiranih le nekaj izdelkov, ki temeljijo na MOF-ih businesswire.com – primeri vključujejo Svantejeve filtre za CO₂, NuMatove posode za plin, nekatere nišne naprave za čiščenje zraka in linijo MOF-paketov za uravnavanje vlage. Zdi se pa, da smo na prelomni točki. »Globalni trg MOF trenutno doživlja ključen prehod iz akademskih raziskav v industrijsko uporabo,« navaja poročilo ResearchAndMarkets, ki napoveduje, da bo industrija v prihodnje rasla za približno 30 % letno businesswire.com. Do leta 2035 bi lahko aplikacije MOF postale večmilijardni trg, zlasti zaradi zajemanja ogljika, shranjevanja vodika, pridobivanja vode in kemijskih ločevanj businesswire.com.
Proizvodna stran se prav tako širi: približno 50 podjetij po vsem svetu zdaj proizvaja MOF-e, čeprav je velik del zmogljivosti skoncentriran pri nekaj igralcih (kot sta BASF in NuMat) businesswire.com. Izzivi, s katerimi se soočajo, vključujejo povečevanje proizvodnje iz laboratorijskih gramov na industrijske tone ob ohranjanju kakovosti in to na stroškovno učinkovit način businesswire.com. Spodbudno je, da je napredek viden – stroški padajo, saj se tehnike izboljšujejo, podjetja pa so razvila metode neprekinjene proizvodnje (namesto počasne serijske sinteze), da bi MOF-e proizvajali v večjih količinah businesswire.com. Na primer, Promethean Particles v Združenem kraljestvu uporablja pretočni reaktor za proizvodnjo MOF-ov in drugih nanomaterialov, novoMOF v Švici pa ponuja pogodbeno proizvodnjo MOF-ov v večjem obsegu. Ti razvojni dosežki nakazujejo, da bo, če se pojavi veliko povpraševanje (recimo tisoče ton za enote za zajemanje ogljika), ponudbena stran pripravljena to izpolniti.Očitna je tudi mednarodna sodelovanja: znanstveniki iz različnih držav pogosto soavtorji člankov o MOF-ih, obstajajo pa tudi svetovne konference (npr. MOF2023 v Melbournu, MOF2024 v Vancouvru), ki združujejo skupnost. To pomaga širiti najboljše prakse in preprečevati podvajanje naporov glede na ogromno kemijsko področje MOF-ov.
Pogled naprej: Zakaj so MOF-i pomembni za trajnostno prihodnost
Kot smo videli, MOF-i se nahajajo na stičišču napredne znanosti o materialih in reševanja resničnih problemov. Pogosto jih označujejo kot »prelomnico« za trajnost, saj omogočajo procese, ki so bili prej neizvedljivi ali neučinkoviti. Zajemanje ogljika je odličen primer – ker omogočajo manj energetsko intenzivno odstranjevanje CO₂, bi MOF-i lahko omogočili širšo uporabo zajemanja ogljika v elektrarnah in tovarnah ter tako bistveno zmanjšali emisije toplogrednih plinov. Shranjevanje čiste energije je še eno področje: MOF-i bi lahko končno omogočili praktično uporabo vodika (in morda drugih plinov, kot je metan) kot čistih goriv, saj rešujejo problem shranjevanja. Na področju čiste vode MOF-i dobesedno ustvarjajo vodo iz zraka ali poceni čistijo vodo, s čimer rešujejo pomanjkanje in onesnaženje brez velike infrastrukture. V zdravstvu MOF-i prinašajo upanje za ciljno dostavo zdravil in občutljivo diagnostiko, kar bi lahko reševalo življenja s pametnejšimi terapijami. In v industrijski kemiji MOF-i ponujajo energetsko učinkovitejše ločevalne in katalitske procese, kar bi lahko zmanjšalo ogljični odtis pri proizvodnji vsakdanjih kemikalij.
Redko katera skupina materialov vpliva na toliko sektorjev – zato MOF-e pogosto primerjajo z »novim silicijem« ali »novo plastiko« glede njihovega preobrazbenega potenciala. Predstavljajo nov način gradnje materialov od spodaj navzgor z natančnostjo (zaradi česar jih primerjajo z LEGO kockami ali Tinkertoysi na molekularni ravni). Ta retikularni pristop k oblikovanju je bil pred nekaj desetletji večinoma teoretičen; zdaj pa je praktičen nabor orodij, ki ga uporabljajo kemiki in inženirji po vsem svetu.
Strokovnjaki menijo, da smo na pragu, ko bodo MOF-i iz laboratorijskih zanimivosti postali vsestranski materiali za vsakdanjo uporabo, vgrajeni v različne tehnologije. »Z vsemi svojimi potencialnimi aplikacijami MOF-i poganjajo pomembne preboje na nekaterih naših najzahtevnejših znanstvenih področjih,« je zapisal analitik ACS in dodal, da izboljšave na področju umetne inteligence in strojnega učenja pospešujejo iskanje MOF-ov, »kar pomeni, da smo morda blizu novih napredkov in komercialnih uporab.« cas.org Časovni okvir za vstop MOF-ov na trg se že krajša: medtem ko je bil prvi MOF izdelan leta 1995, so se prve komercialne uporabe pojavile šele v 2020-ih, v naslednjih nekaj letih pa lahko pričakujemo več deset izdelkov, ki temeljijo na MOF-ih. Na to so pozorni tudi industrijski velikani – naftna in plinska podjetja razmišljajo o MOF-ih za čistejšo predelavo, tehnološka podjetja jih preučujejo za zračne filtre v podatkovnih centrih, avtomobilska podjetja pa jih zanimajo MOF rezervoarji za vodik in CO₂ filtri za zrak v kabini.
Po vsem svetu podpora raziskavam in uvajanju MOF sovpada z nujnimi prioritetami, kot so ukrepanje proti podnebnim spremembam, trajnostni razvoj in napredna proizvodnja. Vlade in vlagatelji financirajo zagonska podjetja MOF in pilotne projekte, saj prepoznavajo, da bi ti materiali lahko njihovi državi zagotovili konkurenčno prednost na področju čiste tehnologije. V ZDA in Evropi so MOF vključeni v načrte za zajemanje ogljika in shranjevanje vodika. Kitajski najnovejši petletni načrti poudarjajo nove materiale in trajnost – področja, ki so prav v središču MOF. Vključene so tudi mednarodne organizacije: na primer, zajemanje ogljika na osnovi MOF je bilo izpostavljeno na nedavnih konferencah CCUS decarbonfuse.com, o pridobivanju vode z MOF pa so poročali mediji, kot sta BBC in Scientific American, kar je pritegnilo pozornost javnosti k tem inovacijam.
Seveda pa ostajajo izzivi. Stroški proizvodnje in možnost povečanja obsega zahtevajo nadaljnje izboljšave (čeprav, kot omenjeno, na tem področju že prihaja do pomembnega napredka businesswire.com). Dolgoročna stabilnost MOF v realnih pogojih (izpostavljenost nečistočam, večkratno ciklanje) mora biti dokazana za vsak primer posebej. Vsaka uporaba pa se mora soočiti tudi s konkurenco drugih tehnologij (na primer, ali lahko zajemanje ogljika z MOF premaga nove sisteme topil ali membran? Ali lahko pridobivanje vode z MOF preseže tradicionalno desalinizacijo v velikem obsegu?). Na ta vprašanja bodo odgovorili v prihodnjih letih z demonstracijskimi projekti in ekonomskimi analizami. Prvi znaki so spodbudni: tam, kjer so MOF odlični, so resnično odlični – ponujajo zmogljivosti, ki jih alternative ne morejo doseči (npr. noben drug material ne more tako učinkovito zajemati vode pri 10 % vlažnosti ali shraniti toliko vodika v tako lahki obliki).
Za zaključek, MOF-i ponazarjajo moč kemijskih inovacij za reševanje globalnih izzivov. Začeli so kot zanimivost v kemijskih laboratorijih in so se razvili v platformo s potencialom, da naredijo industrijo čistejšo, energijo bolj trajnostno in vire, kot je voda, bolj dostopne. Svetovni napor za razvoj MOF-ov – od ameriških zagonskih podjetij do kitajskih univerz, evropskih raziskovalnih konzorcijev do laboratorijev na Bližnjem vzhodu – poudarja skupni optimizem glede teh materialov. Kot je bilo jedrnato zapisano v enem poročilu, MOF-i »prestopajo iz znanstvene radovednosti v komercialno realnost,« rešujejo probleme na področju zajemanja ogljika, vode, energije in več businesswire.com. Če se bodo trenutni trendi nadaljevali, bodo MOF-i morda kmalu tiho delovali v ozadju na številnih področjih vsakdanjega življenja, pomagali uresničiti bolj zelen in napreden svet. Naslednjič, ko boste v puščavi popili požirek vode, vozili avtomobil na vodik ali vdihnili čistejši zrak v mestu, bo morda prav kovinsko-organski okvir razlog za to.
Viri: Nedavne raziskave in strokovni komentarji o MOF-ih so bili povzeti iz vodilnih znanstvenih revij, univerzitetnih sporočil za javnost in industrijskih poročil, vključno z 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 sporočili businesswire.com, CORDIS (EU) cordis.europa.eu in tržnimi analizami businesswire.com ter drugimi. Ti viri poudarjajo soglasje, da so MOF-i prebojna platforma v znanosti o materialih z hitro rastočim vplivom v resničnem svetu.
