Metal-organiske rammeværk (MOF’er): Svampelignende krystaller klar til at revolutionere CO₂-fangst, ren energi og mere

MOF’er har en verdensrekord for intern overfladeareal på op til omkring 7.000 m^2 pr. gram, med teoretiske design op til 14.600 m^2/g.
I løbet af cirka 20 år har forskere skabt næsten 90.000 unikke MOF-strukturer, med hundredtusindvis flere forudsagt af teorien.
MOF’er er porøse krystallinske netværk bygget af metalnoder og organiske forbindelsesled, der danner et justerbart 3D-gitter, som fungerer som en molekylær svamp.
CALF-20, en zinkbaseret MOF, kan holde omkring ét ton CO2 pr. dag pr. kubikmeter under industrielle forhold.
ZnH-MFU-4l er en banebrydende højtemperatur CO2-fangst MOF, der selektivt binder CO2 fra varm røggas ved omkring 300 °C og fanger mere end 90 procent af CO2’en.
DCF-1, lanceret af Decarbontek i midten af 2025, er en lavpris MOF lavet af zinkoxid og citronsyre, der forventes at koste omkring $10 pr. kilogram ved fuld skala.
Svante afprøver et CALF-20 MOF-sorbentsystem på en cementfabrik, der er i stand til at fange omkring 1 ton CO2 pr. dag.
MOF-303, en aluminiumbaseret vandhøstende MOF, muliggjorde en håndholdt høster i Death Valley i 2023, der genvandt omkring 85–90% af det adsorberede vand og leverede op til 285 gram pr. kilogram pr. dag.
EU MOST-H2-projektet, lanceret i 2022, bruger AI til at screene MOF’er for brintlagring; i 2025 rapporterede det fremskridt med over 10.000 strukturer screenet og prototyper, der opfylder DOE-mål under kryogene forhold.
MIL-101(Cr) kan poreudvides fra omkring 2,5 nm til 5 nm via eddikesyrebehandling, hvilket muliggør højere indlæsning af ibuprofen og 5-fluorouracil samt hurtigere frigivelse.

En game-changer inden for avancerede materialer og bæredygtighed

Forestil dig et materiale med så meget indre overfladeareal, at en knivspids af det indeholder, hvad der svarer til seks fodboldbaners areal news.berkeley.edu. Sådanne metal-organiske rammer (MOF’er) er porøse, krystallinske forbindelser lavet af metalnoder forbundet af organiske forbindelsesled, hvilket skaber svampelignende netværk på molekylært niveau. Forskere fremhæver MOF’er som havende “tilsyneladende uendelige muligheder” for at opbygge skræddersyede strukturer med tilpassede egenskaber cas.org. I løbet af de sidste 20 år er forskningen i MOF’er eksploderet – næsten 90.000 unikke MOF-strukturer er blevet skabt (med hundredtusindvis flere forudsagt i teorien) cas.org. Denne stigning er drevet af løftet om, at MOF’er kan løse kritiske udfordringer inden for bæredygtighed og teknologi. Fra at opfange klimavarme kuldioxid og lagre ren brintbrændstof til at levere medicin og høste vand fra ørkenluft, er MOF’er klar til at skabe gennembrud inden for områder fra energi og miljø til biomedicin cas.org cas.org. I denne rapport forklarer vi hvad MOF’er er, hvordan de virker og fremstilles, og hvorfor de betragtes som revolutionerende. Vi vil udforske de vigtigste anvendelser – herunder kulstofopsamling, brintlager, medicinlevering, sensorer og vandhøstning – og fremhæve nylige videnskabelige gennembrud, implementeringer i den virkelige verden og ekspertindsigter. Ved at undersøge det globale landskab (USA, EU, Kina og videre) og de nyeste fremskridt, vil vi se, hvorfor MOF’er betragtes som banebrydende materialer for en mere bæredygtig fremtid.

Hvad er MOF’er? Porøse krystaller med rekordstore overfladearealer

Metal-organiske rammeværk (MOF’er) er en usædvanlig klasse af materialer, der er konstrueret som molekylære Tinkertoys. De består af metalioner eller klynger, der fungerer som knudepunkter, forbundet sammen af organiske molekyler (ligander) som stivere. Disse komponenter samler sig selv til et åbent, bur-lignende krystalgitter – og danner i bund og grund et 3D porøst netværk, holdt sammen af koordinationsbindinger cas.org. Resultatet er en krystallinsk svamp: MOF’er har ekstremt høj porøsitet og overfladeareal, hvilket betyder, at deres indre er fyldt med små hulrum og kanaler, som andre molekyler kan trænge ind i. Faktisk har MOF’er verdensrekorden for overfladeareal i et materiale – nogle tilbyder op til ~7.000 m^2 per gram, med teoretiske design op til 14.600 m^2/g cas.org. For at sætte det i perspektiv, kan blot en spiseskefuld af et typisk MOF have et indre areal på størrelse med flere fodboldbaner, hvilket giver rigelig plads til at adsorbere gasser eller andre molekyler news.berkeley.edu.

Dette enorme indre overfladeareal og justerbare porestruktur er det, der gør MOF’er så specielle. Ved at udskifte metalnoderne eller de organiske forbindelsesled kan kemikere skabe forskellige MOF’er med skræddersyede porestørrelser, former og kemiske funktionaliteter cas.org. Næsten enhver kombination er mulig – en pioner inden for feltet, professor Omar Yaghi (som først syntetiserede MOF’er i 1990’erne), har bemærket, at titusindvis af MOF’er er blevet fremstillet, og “hundredtusinder flere” forudsiges af algoritmer cas.org. Denne modulære “retikulære” designstrategi betyder, at forskere i bund og grund kan designe materialer på bestilling: for eksempel kan et MOF konstrueres til at foretrække at opfange CO₂-molekyler eller til at lyse op i nærvær af et giftstof, blot ved at vælge passende byggesten. Bagsiden af denne diversitet er en udfordring – med så mange mulige strukturer kan det være svært at forudsige, hvilket MOF der fungerer bedst til en given opgave cas.org. (Forskere bruger i stigende grad AI og maskinlæring til at gennemgå MOF-databaser og foreslå de mest lovende kandidater, et punkt vi vender tilbage til senere cas.org.)

Sammenfattende er en MOF som en ultrafin svamp eller et stillads på nanoskala. Den er lavet af uorganiske og organiske dele, der er låst ind i et gentageligt gitter, hvilket resulterer i et fast materiale, der for det meste består af tomt rum. Disse tomme porer kan huse gæstemolekyler. Afgørende er, at MOF’er som regel forbliver robuste, selv efter at deres oprindelige opløsningsmiddel-“gæster” er fjernet – den tomme ramme forbliver intakt og porøs, klar til at adsorbere nye molekyler og frigive dem under de rette betingelser en.wikipedia.org. Denne reversible optagelse og frigivelse er nøglen til anvendelser fra gaslagring til medicinlevering. Som Dr. Kurtis Carsch, kemiker ved UC Berkeley, forklarer: “Som et resultat af deres unikke strukturer har MOF’er en høj tæthed af steder, hvor man kan fange og frigive CO₂ under de rette betingelser” news.berkeley.edu – eller tilsvarende fange og frigive andre molekyler. I bund og grund tilbyder MOF’er en hidtil uset kombination af høj kapacitet (på grund af enorm overfladeareal), mulighed for tilpasning (via kemisk design) og reversibilitet, hvilket gør dem til en stærk platform inden for materialeforskning.

Hvordan fremstilles MOF’er, og hvordan virker de?

Syntese af en MOF er ofte lettere, end dens indviklede struktur kunne antyde. Typisk opløser forskere en metalkilde (såsom et metalsalt) og et organisk forbindelsesled i et opløsningsmiddel og fremmer derefter krystaldannelse ved langsom omrøring, varme eller fordampning. Metalionerne og forbindelsesleddene koordinerer spontant og krystalliserer til en ordnet struktur – vokser en MOF-krystal meget ligesom kandis, der udfældes fra en sukkeropløsning, men på molekylært niveau. Mange MOF’er fremstilles via solvotermiske metoder (opvarmning af ingredienserne i et lukket kar), selvom nyere teknikker inkluderer mikrobølgeassisteret syntese, spraytørring og endda mekanokemisk formaling uden opløsningsmiddel. Det bemærkelsesværdige er, at MOF’er ofte kan selv-samle under relativt milde betingelser. For eksempel syntetiseres en nylig banebrydende MOF til kulstoffangst kaldet DCF-1 ganske enkelt ved at blande zinkoxid med citronsyre i vand – en “sikker, bæredygtig og patentanmeldt metode”, der giver en højtydende MOF billigt businesswire.com. Dette illustrerer, hvordan forskere forbedrer produktionsmetoder for at sænke omkostningerne og undgå skrappe kemikalier. MOF-krystaller kan variere fra nanometer- til millimeterstørrelse, og de forarbejdes normalt til pulvere eller formes til piller og membraner til praktisk brug.

Måden MOF’er fungerer på handler om adsorption og selektivitet. Deres porer fungerer som små opbevaringsskabe eller fælder for molekyler. Når en MOF udsættes for en gas eller væske, kan målmolekyler trænge ind i porerne og hæfte sig til de indvendige overflader (via van der Waals-kræfter, kemiske interaktioner på specifikke steder osv.). Fordi MOF’er har så meget indvendigt areal og ofte kemiske grupper, der binder bestemte molekyler, kan de opsuge forbløffende mængder. For eksempel kan én MOF (CALF-20, et zink-baseret framework) indeholde omkring et ton CO₂ pr. dag pr. kubikmeter materiale under industrielle forhold businesswire.com – og fungerer i praksis som en kæmpe svamp for kuldioxid. Dog er adsorptionen som regel reversibel: ved at ændre betingelserne (opvarme MOF’en, sænke trykket eller skylle med en anden gas), frigives de fangede molekyler (desorberes), og MOF’en regenereres til endnu en cyklus news.berkeley.edu. Denne cykliske fangst og frigivelse er afgørende for anvendelser som kulstofopsamling eller gaslagring, hvor MOF’en skal genbruges mange gange. I eksemplet med CO₂-opsamling, når MOF’en er mættet med CO₂, “kan CO₂ fjernes ved at sænke dens partialtryk – enten ved at skylle med en anden gas eller ved at sætte den under vakuum. MOF’en er derefter klar til at blive genbrugt til endnu en adsorptionscyklus” news.berkeley.edu.

Hver MOF’s indre kemi kan justeres til at foretrække visse molekyler frem for andre, hvilket gør dem meget selektive. Nogle MOF’er har åbne metalcentre eller funktionelle grupper i deres porer, der fungerer som kroge for specifikke gasser. Andre er dekoreret med molekyler (som aminer eller kobbercentre), der reagerer med et mål (som CO₂). Denne justerbarhed er en stor fordel – i modsætning til traditionelle porøse materialer (f.eks. aktivt kul eller zeolitter), der har faste egenskaber, kan MOF’er specialdesignes. “Deres justerbare egenskaber er nøglefaktoren,” bemærker en CAS Insights-rapport, “høj overfladeareal og porøsitet kombineret med justerbar kemi giver MOF’er evnen til at adsorbere gasser og flygtige forbindelser, hvilket vækker enorm interesse for gasadskillelse og -lagring, især for CO₂” cas.org. Kort sagt fungerer MOF’er ved selektivt at fange molekyler i deres nanoskala-porer – lidt ligesom en si eller et filter lavet af molekyler – og de kan senere frigive lasten, når de aktiveres. Dette enkle koncept ligger til grund for de mange anvendelser, vi vil diskutere, fra at fjerne CO₂ fra udstødning, til at lagre brintbrændstof mere tæt, til at transportere lægemiddelmolekyler i blodbanen.

Vigtigste anvendelser af MOF’er

MOF’ers unikke svampelignende egenskaber gør dem nyttige i et overraskende bredt udvalg af anvendelser. Nedenfor udforsker vi nogle af de mest indflydelsesrige anvendelser, der forfølges i dag – sammen med nylige gennembrud og eksempler inden for hvert område.

CO₂-fangst og klimaforebyggelse

En af de mest presserende anvendelser for MOF’er er at fange kuldioxid fra kraftværkers røggas eller endda direkte fra luften. At reducere CO₂-udledninger er afgørende for at bekæmpe klimaforandringer, og MOF’er er ved at blive “blandt de mest lovende materialer til CO₂-fangst”, fordi de kan opsuge CO₂ med større effektivitet og lavere energiforbrug end konventionelle metoder ccarbon.info. Traditionel CO₂-fangstteknologi bruger flydende aminer til at binde CO₂, men aminer er ætsende, energikrævende at regenerere og fungerer typisk kun ved relativt lave temperaturer (omkring 40–60 °C). Mange industrielle røggasser er dog meget varmere (cement- og stålværksudledning kan overstige 200–300 °C), hvilket gør CO₂-fangst vanskelig og dyr, fordi gasserne først skal afkøles news.berkeley.edu. MOF’er tilbyder et potentielt kvantespring: de kan designes til at opfange CO₂ selv under barske forhold og derefter frigive det med beskeden opvarmning eller trykændringer, med et langt lavere samlet energiforbrug end amin-scrubbere ccarbon.info.

I slutningen af 2024 rapporterede kemikere fra UC Berkeley om et gennembrud med MOF, der kan opfange CO₂ fra varm røggas uden forudgående nedkøling. Materialet, kendt som ZnH-MFU-4l, indeholder zinkhydridsteder inde i dets porer, som binder CO₂ stærkt ved høje temperaturer. “Vi har fundet ud af, at en MOF kan opfange kuldioxid ved hidtil uset høje temperaturer – temperaturer, der er relevante for mange CO₂-udledende processer,” sagde Dr. Kurtis Carsch, medførsteforfatter på studiet. “Dette var noget, man tidligere ikke anså for muligt for et porøst materiale.” news.berkeley.edu Under simulerede udstødningsforhold var denne MOF i stand til at selektivt fange CO₂ ved ~300 °C (typisk for cement-/stålrøggas) og opfange over 90% af CO₂ i strømmen (“dyb kulstofopsamling”), hvilket matcher ydeevnen for flydende aminer news.berkeley.edu. Sådan drift ved høje temperaturer undgår behovet for at bruge energi og vand på at køle emissionerne news.berkeley.edu, hvilket potentielt gør kulstofopsamling mulig for “svært-dekarboniserbare” industrier som stål og cement. “Fordi entropi favoriserer, at molekyler som CO₂ forbliver i gasfasen mere og mere med stigende temperatur, mente man generelt, at det var umuligt at opfange sådanne molekyler med et porøst fast stof ved temperaturer over 200 °C,” bemærkede professor Jeffrey Long, som ledte forskningen. “Dette arbejde viser, at med den rette funktionalitet… kan højkapacitetsopsamling af CO₂ faktisk opnås ved 300 °C.” news.berkeley.edu Opdagelsen åbner en ny designvej (ved brug af metalhydridsteder i MOF’er) for næste generations materialer til kulstofopsamling news.berkeley.edu.MOF’er skinner også i mere konventionelle CO₂-fangstroller. Opstarts- og virksomheders interesse er steget kraftigt: ExxonMobil har indgivet patenter på MOF-teknologier til kulstoffangst cas.org, og forskere ved KAUST i Saudi-Arabien har patenteret MOF’er til at fange CO₂ og adskille gasser cas.org. Adskillige startups konkurrerer om at kommercialisere MOF-baserede CO₂-filtre. For eksempel undersøger Nuada (en EU-baseret startup) MOF-systemer for at hjælpe cementproducenter med at fange CO₂ fra røggas cas.org. Et andet firma, Mosaic Materials, udviklede en amin-funktionaliseret MOF til CO₂-fangst, som var så lovende, at det blev opkøbt af energiteknologivirksomheden Baker Hughes i 2022 med henblik på opskalering news.berkeley.edu. Mosaics MOF bliver testet i pilotprojekter som et alternativ til flydende aminer og endda til direkte luftfangst af CO₂ news.berkeley.edu.Bare i midten af 2025 annoncerede Decarbontek, Inc., at de kommercielt producerer et MOF-adsorbent til kulstoffangst. Virksomheden lancerede DCF-1 (De-Carbon Framework-1), og kaldte det “et banebrydende, lavpris, højtydende MOF designet til skalerbar kulstoffangst”, nu tilgængelig pr. kilogram ccarbon.info. “Med lanceringen af DCF-1 sætter vi en ny standard for materialer til kulstoffangst,” sagde Dr. Yong Ding, Decarbonteks CEO. “Det er omkostningseffektivt, let at fremstille og meget effektivt – hvilket gør kulstoffangst tilgængelig på tværs af industrier.” businesswire.com DCF-1 kan fremstilles billigt (ved brug af almindelig zinkoxid og citronsyre) og sigter mod kun at koste omkring $10 pr. kg ved fuld skala, “sammenligneligt med almindelige molekylsier”, ifølge Ding businesswire.com. Dette er væsentligt, fordi MOF’er længe er blevet betragtet som for dyre til massebrug; et lavpris, letfremstillet MOF kunne fjerne en væsentlig barriere for udbredelse ccarbon.info. Materialet kombinerer angiveligt høj CO₂-optagelse med en ikke-giftig, vandbaseret produktionsproces, ideel til eftermontering på fabrikker eller endda til at trække CO₂ ud af luften businesswire.com. Decarbonteks produkt og andre lignende understreger, hvordan MOF-teknologi bevæger sig fra laboratoriet til markedet inden for kulstoffangst.

Måske det mest håndgribelige tegn på fremskridt ses i pilotprojekter: Svante, et canadisk firma, bruger et MOF-sorbent (CALF-20, fremstillet af BASF) i et demonstrationssystem, der opfanger ~1 ton CO₂ om dagen fra røggassen på en cementfabrik businesswire.com. Denne test i virkeligheden viser, at MOF’er kan håndtere industrielle gasstrømme og faktisk fungerer under feltforhold. Sådanne udviklinger antyder, at MOF’er snart kan spille en nøglerolle i Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS)-indsatsen globalt og hjælpe industrier med at reducere CO₂-udledninger. Da kulstoffangst er afgørende for at afbøde klimaforandringer (især for sektorer, der ikke let kan elektrificeres), betragtes MOF’er bredt som et “mirakelmateriale”-gennembrud for dekarbonisering news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Ved at tilbyde højere effektivitet og lavere energitab kan MOF-baseret kulstoffangst muliggøre bredere anvendelse af CCUS – en vigtig bro til en netto-nul fremtid, mens vedvarende energi opskaleres. Samlet set giver MOF’er et kraftfuldt nyt værktøjssæt til at håndtere CO₂, fra fabriksrøggas til den fri luft, hvilket er grunden til, at dette anvendelsesområde forbliver det hotteste fokus i MOF-forskning og kommercialisering.

Lagring af brint og ren energi

Hvis MOF’er kan hjælpe med at fjerne kulstof fra vores nuværende energisystemer, er de også klar til at muliggøre rene energibærere som brint i fremtiden. Brint (H₂) er et lovende nul-kulstof-brændstof (det forbrænder kun til vand), men effektiv lagring af brint er en stor udfordring – H₂ er en meget lavdensitetsgas, og komprimering eller flydendegørelse er energikrævende og kræver tunge tanke. MOF’er tilbyder en måde at lagre brint i en kompakt, sikker form gennem adsorption. I bund og grund kan brintgas indlæses i MOF’ens porer med høj densitet (især ved lavere temperaturer), som æg i en æggebakke, og derefter frigives efter behov. Det amerikanske energiministerium og andre har sat mål for brintlageringsmaterialer (for vægtprocent og volumen af lagret H₂), og visse MOF’er er kommet tæt på eller har overgået disse mål ved kryogene temperaturer.

I Europa er der igangsat en målrettet indsats for at udnytte MOF’er til brintlagring. Det EU-finansierede MOST-H2-projekt (igangsat i 2022) udvikler cryo-adsorptive brintlagringssystemer ved hjælp af avancerede MOF’er cordis.europa.eu. Ved cryo-adsorption afkøles brintgas (typisk til flydende-nitrogen-niveau, ~77 K) og adsorberes på et porøst materiale, hvilket opnår høj densitet uden ekstreme tryk. Projektets “hemmelige våben er en særlig klasse af porøse krystallinske materialer kaldet MOF’er,” som de former til monolitiske MOF-adsorbenter med en optimal kombination af volumetrisk og gravimetrisk kapacitet cordis.europa.eu. I 2025 rapporterede MOST-H2-forskerne om “betydelige fremskridt” – de kombinerede AI-drevet screening med eksperimenter for at identificere nye MOF-forbindelser, der overgår de bredt accepterede mål for både gravimetrisk og volumetrisk brintlagringskapacitet cordis.europa.eu. Disse gennembrud er blevet sikret gennem patentansøgninger cordis.europa.eu, hvilket understreger deres nyhedsværdi. I praksis kan teamets MOF-prototyper lagre brint tæt ved kryogene forhold, i materialer der er lette og sikre at håndtere (ingen ekstremt høje tryk) og har et “meget lille miljømæssigt fodaftryk” cordis.europa.eu. Det endelige mål er at integrere disse MOF’er i en fuld “lab-til-tank” brintlagringsløsning til anvendelser som brintdrevne køretøjer (projektet undersøger cases for brintdrevne tog i Østrig og Italien) cordis.europa.eu.

Et bemærkelsesværdigt aspekt ved denne indsats er brugen af maskinlæring til at accelerere opdagelser. MOST-H2-projektet udviklede et AI-værktøj til at forudsige, hvilke MOF-strukturer der ville være optimale til hydrogenoptagelse, og skabte en “robust database over højtydende materialer”, hvilket viser, hvordan beregningsmetoder kan omforme MOF-udvikling cordis.europa.eu. Ved virtuelt at screene over 10.000 MOF-strukturer og derefter teste de bedste kandidater i laboratoriet, var teamet i stand til at identificere flere stjernematerialer, som de straks tog patent på cordis.europa.eu. Denne tilgang reducerer i høj grad det trial-and-error, der typisk er nødvendigt i materialeforskning og -udvikling. Som resultat er projektets MOF’er på vej til at opfylde eller overgå de strenge lagringsmål, der kræves til praktiske brændstoftanke, samtidig med at de forbliver omkostningseffektive og stabile over mange cyklusser cordis.europa.eu. MOF-baseret tankdesign optimeres også med avanceret varme- og masstransportmodellering samt livscyklusanalyse for at sikre, at det kan opskaleres og integreres i rigtige køretøjer cordis.europa.eu.

Ud over dette projekt har andre forskere demonstreret MOF’er, der er i stand til bemærkelsesværdig hydrogenoptagelse. For eksempel kan MOF-74 (en velkendt struktur) absorbere mere hydrogen end nogen utryksat tank ved 77 K, hvilket peger på potentialet for MOF’er til at fjerne flaskehalsen i hydrogenlagring innovations-report.com. Den generelle strategi er at operere nær kryogene temperaturer – hvilket måske lyder energikrævende, men teknikker som smart isolering eller brug af “gratis” køling fra flydende hydrogen-fordampning kan gøre det muligt. Udbyttet ville være letvægts, højkapacitets hydrogentanke til brændselscellebiler, busser eller fly, der ikke kræver 700-bars kompression eller ekstremt tunge beholdere. Sådanne tanke kunne være “solid-state” hydrogenbatterier, hvor MOF-granulat holder hydrogen sikkert ved moderate tryk. Forskere undersøger også MOF’er til hydrogenlagring ved stuetemperatur, selvom intet materiale endnu opfylder alle DOE’s mål under omgivende forhold.

Sammenfattende er MOF’er på forkant med at løse brintens lagringsdilemma. De fungerer som nano-svampe, der pakker brintmolekyler tæt ved adsorption, hvilket gør det muligt at få mere brint til at være i et givent volumen ved et givent tryk. Nuværende MOF’er kombineret med kryogen køling har vist rekordstore kapaciteter – overgår hvad flydende brint kan opnå pr. volumen i nogle tilfælde – hvilket kan gøre det muligt for brintdrevne køretøjer at køre længere på en tank og tanke hurtigere op. Med global interesse for brint som en ren energibærer (til transport, netlagring og industri) er fremskridt som MOF-baserede tanke afgørende. Det faktum, at der indgives patenter og finansieres flerårige projekter i EU og andre steder, signalerer tillid til, at MOF’er vil spille en nøglerolle i brintøkonomien. Som en EU-rapport udtrykte det, lover disse innovative materialer “billige, effektive og miljøvenlige brintløsninger” til Europas klimamål cordis.europa.eu – en udtalelse, der giver genlyd verden over, efterhånden som nationer investerer i H₂-infrastruktur.

Lægemiddellevering og biomedicinske anvendelser

MOF’er er ikke kun til energi og miljø – de gør sig også bemærket inden for biomedicin som nye systemer til lægemiddellevering og billeddannelsesmidler. I farmaceutisk sammenhæng kan MOF’er fungere som nanoskala-bærere for terapeutiske molekyler. Ideen er, at et lægemiddel (som kan være et lille molekyle, et protein eller endda en nukleinsyre) kan indlæses i MOF’ens porer og derefter transporteres gennem kroppen, beskyttet af MOF-buret. Den porøse struktur kan nogle gange beskytte lægemidlet mod for tidlig nedbrydning, målrette dets frigivelse til et bestemt sted eller muliggøre en langsom, kontrolleret frigivelse over tid. MOF’er kan endda designes til at reagere på stimuli (som pH eller lys) for at udløse lægemiddelfrigivelse på kommando jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Dette er et spirende forskningsområde inden for nanomedicin.

En fordel ved MOF’er er deres høje læssekapacitet – på grund af deres enorme overfladeareal kan de bære meget medicin i forhold til deres vægt. Desuden kan mange MOF’er fremstilles af biokompatible komponenter (f.eks. zink- eller jernnoder med spiselige organiske syrer), hvilket betyder, at de kan nedbrydes til ikke-giftige biprodukter i kroppen cas.org. Faktisk er nogle MOF’er bio-venlige og biologisk nedbrydelige, hvilket gør dem attraktive til brug i levende organismer cas.org. Forskere har opfundet udtrykket “nano-MOF’er” for meget små MOF-partikler (typisk 50–200 nanometer), der er designet til injektion i blodbanen eller cellulær levering axial.acs.org. Flere af disse nano-MOF’er er nået til kliniske forsøg for kræftbehandling axial.acs.org – for eksempel som bærere af kemoterapilægemidler eller til at forbedre strålebehandling. Dette viser det reelle potentiale for MOF’er som en platform inden for medicin.En nylig undersøgelse fra 2024 demonstrerede, hvordan simpel kemisk justering kan forbedre en MOFs evne til lægemiddellevering. Forskere ved University of Miami tog en velkendt MOF kaldet MIL-101(Cr) (et krom-baseret framework med store porer) og “pustede det effektivt op” med et ekstra syntesetrin acs.org. De behandlede MOF-krystallerne med lidt eddikesyre (eddike-lignende) for at udvide porestørrelsen fra cirka 2,5 nm til 5 nm, hvilket øgede det indvendige overfladeareal acs.org. Disse “pore-udvidede” MOF-partikler blev derefter ladet med to modellægemidler – ibuprofen (et antiinflammatorisk middel) og 5-fluorouracil (et kemoterapilægemiddel) – for at teste kapacitet og frigivelseskinetik. Resultaterne var slående: “De oppustede MOF’er indeholdt mere ibuprofen eller kemoterapilægemiddel sammenlignet med den oprindelige version og havde forbedret ydeevne som potentiel lægemiddelleveringsenhed.” acs.org Fordi porerne var større, kunne flere lægemiddelmolekyler være indeni, og faktisk absorberede den modificerede MOF en større mængde af begge lægemidler end den umodificerede MIL-101 acs.org. Desuden frigav MOF’en med udvidede porer i frigivelsesforsøgene lægemidlerne væsentligt hurtigere end den oprindelige, på grund af de større åbninger, der fungerede som brede “døre” for molekylerne til at komme ud acs.org. Hurtigere frigivelse kan være gavnligt for hurtigt at opnå terapeutiske niveauer, mens kontrolleret langsom frigivelse kan opnås ved andre modifikationer. Forskerne ser denne simple syrevask-metode som en måde at tilpasse MOF-leveringsprofiler til forskellige behov acs.org. Som de bemærker, “sådanne simple ændringer kan maksimere effektiviteten af MOF’er i fremtidige lægemiddelleveringsapplikationer”, og igangværende arbejde undersøger, hvordan man kan opnå langsom, vedvarende frigivelse over specifikke tidsrammer ved at skræddersy porestrukturer acs.org.Dette er blot ét eksempel ud af mange. Andre studier har vist, at MOF’er kan transportere kombinationer af lægemidler, beskytte sarte biomolekyler som proteiner eller RNA, og endda muliggøre målrettet levering til tumorer (ved at fastgøre målretningsligander til MOF’en). Fordi man kan kombinere forskellige metalcentre, har forskere fundet ud af, at metalvalget kan påvirke frigivelseshastigheden – for eksempel fandt et studie, at MOF’er lavet med magnesium frigav et testlægemiddel hurtigere end dem lavet med zirkonium, hvilket antyder, at mere opløselige metalnoder fører til hurtigere nedbrydning af strukturen og lægemiddelfrigivelse axial.acs.org. Sådanne indsigter guider designet af MOF’er til “on-demand” lægemiddelfrigivelse og theranostik (terapi + diagnostik). Bemærkelsesværdigt kan MOF’er også fungere som kontrastmidler eller billeddannende prober; nogle inkorporerer luminescerende lanthanider eller radioaktive isotoper til sporing, og andre forstærker MRI-signaler. De luminescerende egenskaber ved visse MOF’er har endda muliggjort biosensorer, der kan detektere biomarkører eller miljøgifte via en fluorescensændring cas.org – hvilket udvisker grænsen mellem lægemiddellevering og detektion.

Afgørende viser tidlige sikkerhedsstudier, at korrekt formulerede MOF’er kan være ikke-giftige og bionedbrydelige i kroppen cas.org. For eksempel kan MOF’er lavet af jern eller zink med fødevaregodkendte forbindelser nedbrydes til næringsstoffer eller udskilles. Denne biokompatibilitet, kombineret med høj lastekapacitet og alsidighed, har fået eksperter til at udråbe MOF’er som en “lovende ny klasse af smarte lægemiddelbærere” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Selvom intet MOF-baseret lægemiddel endnu er kommet på markedet, tyder de igangværende kliniske forsøg på, at det kun er et spørgsmål om tid. I den nærmeste fremtid kan MOF-nanopartikler måske levere kemoterapi mere direkte til kræftceller, hvilket reducerer bivirkninger, eller fungere som “nano-antidoter”, der absorberer giftige stoffer i kroppen. Forskningsmomentummet er stærkt – en oversigtsartikel talte dusinvis af MOF-lægemiddelleveringssystemer til kræft, HIV, diabetes og mere under undersøgelse pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Hvis disse bestræbelser lykkes, kan MOF’er indlede en ny æra af præcisionsmedicin, hvor behandling ikke kun handler om lægemiddelmolekylet, men også om det smarte køretøj, der transporterer det.

Sensorer og detektion

Takket være deres justerbare kemi og ofte iboende luminescens er MOF’er blevet fremtrædende komponenter i kemiske sensorer. En lille ændring i en MOF’s struktur – for eksempel at et gæstemolekyle binder sig eller at en elektron overføres – kan omsættes til et detekterbart optisk eller elektrisk signal. Dette gør MOF’er fremragende til at spore sporstoffer i miljøet, fødevarer eller endda i menneskekroppen. Forskere har skabt MOF-baserede sensorer til et bredt udvalg af mål: tungmetalioner, sprængstoffer (som TNT-dampe), farlige industrigasser og biomarkører for sygdomme, for blot at nævne nogle få sciencedirect.com, pubs.rsc.org.

En populær tilgang er luminescerende MOF’er (ofte kaldet LMOF’er). Dette er MOF’er, der enten naturligt fluorescerer eller fosforescerer, eller som er dopet med fluorescerende molekyler/metalioner. Når et målanalyt trænger ind i MOF’ens porer, kan det få luminescensen til at ændre sig – måske ved at slukke den, forstærke den eller ændre dens farve. For eksempel vil visse MOF’er, der indeholder lanthanidmetaller, udsende et kraftigt signal, som selektivt kan slukkes af bestemte kemikalier, hvilket muliggør detektion af disse kemikalier ved meget lave koncentrationer pubs.rsc.org. Der findes MOF’er, der fungerer som tænd/sluk-sensorer for metalioner som aluminium (de lyser kun, når ionen binder sig) pubs.acs.org, eller som farveskiftende sensorer for pH eller ilt. Fordi MOF’er har en modulær struktur, kan sensordesignere indbygge genkendelsessites direkte i strukturen. Forestil dig en MOF, der har bindingslommer, der er perfekt tilpasset et forureningsmolekyle – når forureningen fanges, udløser det en elektron- eller energioverførsel, der får MOF’ens fluorescens til at dæmpes eller skifte farve. Sådan specificitet er meget værdsat i sensorer.

En vigtig fordel ved MOF-sensorer er, at de kan gøres meget følsomme og selektive, samtidig med at de forbliver stabile. MOF’er kan ofte fungere i forskellige miljøer (nogle er vandstabile, til brug i vandmiljøer). Forskere har endda udviklet MOF-baserede sensorer, der kan detektere biomarkører i komplekse væsker som urin eller blod ved at filtrere og fange målet i ét trin sciencedirect.com. En anden spændende mulighed er elektrokemiske MOF-sensorer: ledende MOF’er eller kompositter kan generere et elektrisk strømrespons, når en gas eller damp adsorberes, og fungerer som en ny slags “elektronisk næse” orcasia.org.

Vigtigt er det, at mange MOF’er er lavet af relativt harmløse komponenter, så brugen af dem i forbruger- eller biomedicinske sensorer er mulig. En CAS-analytiker bemærkede, at MOF’er kan være fremragende som biosensorer, fordi nogle er “lavtoksiske og biologisk nedbrydelige”, især dem der bruges i luminescensbaseret detektion cas.org. Det betyder, at en MOF-belagte probe måske en dag kan bruges in vivo (inde i kroppen) til at overvåge tilstande, eller at MOF-partikler kan indgå i en diagnostisk test, der sikkert opløses efter brug. Allerede nu er MOF-sensorer blevet testet til ting som giftige tungmetaller i vand (hvor MOF’en fluorescerer i nærvær af kviksølv eller bly) pubs.acs.org, fødevareforureninger (pesticider eller antibiotika, der får en MOF’s emission til at ændre sig) sciencedirect.com, og endda som bærbare sensorer til analyse af udåndingsluft.

Et eksempel under udvikling er et MOF-baseret sensorarray til detektion af sprængstoffer og kemiske krigsmidler. Ved at have flere MOF’er, hver indstillet til at reagere på forskellige kemiske former, kan et array producere et unikt fingeraftryk for et givent stof (på samme måde som vores næse skelner mellem lugte). Et andet eksempel: Forskere har skabt en luminescerende MOF-sensor, der hurtigt kan påvise fordærvet mad ved at detektere amin-dampe fra kødforrådnelse, hvilket giver en farveændring som indikator sciencedirect.com. Disse kreative løsninger viser, hvordan MOF’er kan bidrage til folkesundhed og sikkerhed.

Kort sagt bringer MOF’er høj følsomhed, skræddersybarhed og stabilitet til sensorteknologi. De kan i nogle tilfælde detektere molekyler på dele-per-milliard-niveau, og deres respons kan designes til let aflæsning (en farveændring synlig for øjet, eller en ændring i strøm/spænding for elektronisk aflæsning). Efterhånden som miljøovervågning og fødevaresikkerhedsstandarder bliver strengere, kan MOF-sensorer få udbredt anvendelse på grund af deres kombination af præcision og praktisk anvendelighed. Det faktum, at MOF’er kan laves til tynde film eller pulvere, der kan belægge enheder, betyder, at integration i sensorhardware er ganske mulig. Virksomheder og forskningslaboratorier verden over patenterer aktivt MOF-sensordesigns cas.org cas.org, hvilket indikerer, at vi snart kan se kommercielle sensorprodukter, der udnytter MOF-teknologi – fra smarte køkkensensorer, der detekterer fordærv, til håndholdte detektorer for luftkvalitet og sikkerhedstrusler. Dette er et levende område, hvor kemi og ingeniørkunst mødes, og MOF’er er på forkant med at gøre vores verden mere målbar og detekterbar i fine detaljer.

Vandhøstning og teknologier til rent vand

Måske en af de mest futuristisk-lydende anvendelser af MOF’er – men en, der allerede er demonstreret i virkeligheden – er at trække drikkevand ud af den tynde luft. Atmosfærisk vandhøstning er en teknologi, der har til formål at udvinde fugt fra luften (selv i tørre ørkenklimaer) for at levere frisk vand. Traditionelle affugtere eller tågenet kræver relativt fugtig luft eller meget energi. Men MOF’er har vist evnen til at opfange vand fra ekstremt tør luft (ned til 10–20% relativ luftfugtighed) og derefter frigive det med minimal energitilførsel, hvilket gør dem ideelle til off-grid vandgeneratorer i tørkeramte områder.

Konceptet blev udviklet af professor Omar Yaghi (opfinderen af MOF’er) og hans kolleger. I 2017 rapporterede de første gang om en MOF (MOF-801), der kunne høste vand fra ørkenluft ved kun at bruge sollys som energikilde. Spol frem til 2023, og teknologien har taget et stort spring fremad. Forskere fra UC Berkeley præsenterede en håndholdt vandhøster-enhed, der bruger MOF’er og blev testet i Death Valley – et af de tørreste og varmeste steder på Jorden. Enheden, der er på størrelse med en lille rygsæk og udelukkende drevet af omgivende sollys, kørte gentagne cyklusser for at opfange vand om natten og frigive det som væske om dagen. “Disse tests viste, at enheden kunne levere rent vand hvor som helst,” rapporterede teamet og kaldte det en presserende løsning, da “klimaforandringer forværrer tørkeforholdene.” cdss.berkeley.edu MOF-baserede høsterenheden var i stand til at trække fugt fra luft med så lav som 10% luftfugtighed og producere op til 285 gram vand pr. kilogram MOF pr. dag i marken cdss.berkeley.edu. (~285 g svarer omtrent til et glas vand; laboratorietests under ideelle forhold giver endnu mere.) Imponerende nok gjorde den det ved at bruge ingen ekstern energi udover sollys, hvilket betyder nul drivhusgasudledning eller behov for elektricitet cdss.berkeley.edu. Dette er muligt, fordi MOF’en først adsorberer vanddamp fra den kølige natluft; derefter opvarmer dagslyset MOF’en, hvilket får den til at frigive vandet som damp, der kondenseres til væske i en opsamler. MOF’en kan køre mange cyklusser uden ydelsestab og kan regenereres blot ved tørring, hvilket gør den til en robust vand-svamp til langvarig brug cdss.berkeley.edu.

Den MOF, der bruges i den nyeste enhed, er en aluminiumbaseret struktur (kaldet MOF-303), som har en stærk affinitet for vand, men også frigiver det ved moderate temperaturer (~80 °C). Denne MOF blev valgt for sin enestående ydeevne: den kan høste vand selv under ekstremt tørre forhold og er stabil over tusindvis af cyklusser businesswire.com. Faktisk blev MOF-303 succesfuldt testet i Death Valley, hvilket bekræftede dens praktiske anvendelse i ekstreme miljøer businesswire.com. Under testene opnåede enheden en vandgenvinding på omkring 85–90% af det adsorberede vand i hver cyklus cdss.berkeley.edu, hvilket betyder, at meget lidt af den opsamlede fugt gik tabt. Dr. Yaghi, som ledte studiet offentliggjort i Nature Water (juli 2023), fremhævede alvoren: “Næsten en tredjedel af verdens befolkning lever i vandstressede områder. FN forudser, at næsten 5 milliarder mennesker vil opleve vandstress i 2050… Dette er meget relevant for at udnytte en ny kilde til vand.” cdss.berkeley.edu Ved at udnytte det enorme reservoir af vand i atmosfæren (selv ørkener har en vis fugt i luften), tilbyder MOF-enheder en fristende ny vandkilde, der er decentraliseret og bæredygtig. I modsætning til store afsaltningsanlæg (som kræver elektricitet og havvand), kan en MOF-høster være et personligt eller landsbybaseret apparat, der fungerer hvor som helst, der er luft og sollys.

Kommercielle initiativer er nu i gang for at opskalere MOF-vandhøstere. Flere startups, ofte i samarbejde med universiteter, videreudvikler teknologien. Ifølge en nylig markedsrapport udnytter virksomheder som Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule og Transaera MOF’ers overlegne vandadsorberende egenskaber til at bygge næste generations køle- og vandsystemer businesswire.com. Disse systemer kan angiveligt generere op til 0,7 liter vand pr. kilogram MOF pr. dag selv under tørre forhold businesswire.com – omtrent det dobbelte af udbyttet fra de første prototyper – takket være forbedrede materialer og design. Transaera integrerer for eksempel MOF’er i ultrabillige airconditionanlæg, der ikke kun køler luften, men også opsamler vand som en bonus (Transaera var finalist i Global Cooling Prize). Et andet initiativ fra AQUAml (tilknyttet MIT) bruger MOF’er til personlige vandflasker, der genopfyldes fra luftfugtighed. Det faktum, at MOF’er kan fungere ved lav luftfugtighed, betyder også, at de kan bruges til passiv affugtning i HVAC-systemer, hvilket gør køling mere effektiv ved at tørre luften uden kondensationsspoler cas.org.

MOF-vandhøsteren er et fremragende eksempel på, hvordan disse materialer kan imødekomme humanitære behov og klimatilpasning. I områder med forurenede vandkilder kunne MOF-enheder levere sikkert drikkevand med minimal infrastruktur. De kan også skaleres modulært – man kan indsætte hundreder af MOF-enheder for at støtte et lokalsamfund eller en enkelt enhed til en familie. Forskere forestiller sig endda selvopfyldende vandflasker til vandrere og vandgeneratorer til soldater i felten, alt sammen drevet af MOF’er og sollys. Selvom omkostninger og produktion i stor skala er de næste udfordringer, er fremskridtene indtil nu meget lovende. Som en artikel spøgefuldt bemærkede, får MOF’er, der muliggør vand-fra-luft-enheder, det til at føles som “kemi på grænsen til magi”, hvor noget så uhåndgribeligt som luft forvandles til en af livets mest essentielle ressourcer. Med klimaforandringer, der gør tørke mere hyppig, kan sådanne teknologier blive game-changers for vandforsyningssikkerhed og en inspirerende anvendelse af avancerede materialer til gavn for samfundet.

Andre nye anvendelser (katalyse, batterier og mere)

Ud over de ovennævnte hovedanvendelser viser MOF’er deres alsidighed på mange andre områder. Deres høje overfladeareal, mulighed for tilpasning og evne til at inkorporere aktive metaller eller funktionelle grupper gør dem ideelle til katalyse – at fremskynde kemiske reaktioner. MOF’er kan fungere som katalysatorer i sig selv eller som forstadier til katalytiske materialer. For eksempel er MOF’er med åbne metalcentre blevet brugt til at katalysere CO₂-omdannelse til brændstoffer, og MOF-afledte materialer (som kulstofstrukturer, der bevarer metal fra en MOF) har vist fremragende ydeevne i elektrokatalyse (f.eks. til iltreduktion i brændselsceller) cas.org. En undersøgelse fandt, at nitrogen-doterede kulstofnanorør afledt af en MOF havde “forbedret elektrokatalytisk aktivitet og stabilitet” for vand-elektrolyse sammenlignet med standardkatalysatorer cas.org. Muligheden for at designe den atomare struktur af en katalysator via MOF’er (nogle gange kaldet “nano-casting”) er meget attraktiv i grøn kemi og industrielle processer.

MOF’er bliver også undersøgt i energilagringsenheder. Forskere tester MOF’er som elektrode-materialer i lithium-ion batterier, hvor den porøse struktur kan rumme lithiumioner og potentielt forbedre kapacitet eller opladningshastighed cas.org. Nogle MOF’er (eller deres derivater) er blevet undersøgt som superkapacitator-materialer til hurtig energilagring cas.org. Selvom de fleste MOF’er er isolerende, er en ny underklasse af ledende MOF’er opstået, som kan transportere elektroner og muligvis bruges i elektronik eller sensorer. Der er endda MOF’er med iboende magnetiske eller ferroelektriske egenskaber, der undersøges til avancerede funktionelle enheder.

Et andet område, hvor der sker innovation med MOF’er, er gas-separation og -rensning i den kemiske industri. Vi nævnte CO₂-fangst, men MOF’er kan også målrette andre vanskelige separationer – for eksempel at isolere propylen fra propan (et kritisk trin i plastproduktion) eller fjerne urenheder fra naturgas. Virksomheder som UniSieve har udviklet MOF-baserede membraner, der fungerer som molekylsier og opnår energieffektive separationer. I ét tilfælde var en MOF-membran i stand til at separere propylen til 99,5% renhed fra propan businesswire.com, hvilket giver et potentielt lavenergi-alternativ til destillation (som normalt bruger enorme mængder energi til sådanne separationer). Ligeledes bliver MOF-filtre undersøgt til genanvendelse af kølemidler, rensning af industrielle opløsningsmidler, og endda oprydning af atomaffald (indfangning af radioaktivt jod eller xenon).

Inden for elektronik og sensorer har forskere fremstillet MOF-baserede tynde film, der er selektive for bestemte gasser, hvilket potentielt kan skabe nye typer gassensorer eller endda brændselscellemembraner. Miljøoprydning er et andet nicheområde – MOF’er kan opfange forurenende stoffer som PFAS (“evighedskemikalier”) fra vand på grund af deres justerbare adsorption, og nogle fotokatalytiske MOF’er kan nedbryde organiske forurenende stoffer under lys.

Endelig har MOF’er nogle finurlige, men interessante potentielle anvendelser: hvad med MOF-stoffer, der absorberer lugte eller kemiske stoffer (til beskyttende tøj)? Eller MOF-belægninger i køleskabe for at absorbere ethylen og holde maden friskere? Disse idéer bliver alle testet. Bundlinjen er, at MOF’er repræsenterer et platformsmateriale: ligesom polymerer eller silicium har fundet utallige anvendelser, er MOF’er en schweizerkniv i materialeverdenen. Som en markedsanalyse udtrykte det: “MOF’ers enestående egenskaber – herunder rekordstore overfladearealer, justerbare porer og tilpasningsdygtig kemi – muliggør løsninger på nogle af samfundets mest presserende udfordringer.” businesswire.com Fra ren luft og vand til ren energi og sundhed sætter MOF’er deres præg på en bred vifte af innovationer.

Globalt landskab: Forskning, patenter og kommercialisering verden over

Spændingen omkring MOF’er er virkelig global. Efter de første gennembrud i USA (professor Yaghis arbejde ved UC Berkeley og UCLA) og Japan (professor Susumu Kitagawas uafhængige MOF-opdagelser i Kyoto), spredte forskningen sig hurtigt over Nordamerika, Europa, Asien og videre. USA forbliver en drivkraft inden for MOF-innovation med førende universiteter (Berkeley, MIT, Northwestern osv.), nationale laboratorier og virksomheder, der skubber grænserne. Flere amerikanske startups, ofte udsprunget af akademiske laboratorier, kommercialiserer MOF’er: NuMat Technologies (Illinois) fokuserer på gaslagring og har endda solgt MOF-udstyrede gascylindre (ION-X), der opbevarer giftige gasser til halvlederindustrien på en sikrere, sub-atmosfærisk måde businesswire.com. NuMat rapporterer også en produktionskapacitet på ~300 tons/år af MOF’er på deres faciliteter businesswire.com. Mosaic Materials i Californien (tidligere nævnt for CO₂-fangst) og Transaera (Massachusetts, til køling) er andre bemærkelsesværdige amerikanske virksomheder. Industrigiganten BASF i Tyskland var en af de første til at investere massivt i MOF’er; de opskalerede MOF-produktionen i 2010’erne (producerede en kobberbaseret MOF i tons-mængder) og har nu en årlig kapacitet på flere hundrede tons i Ludwigshafen businesswire.com. BASF’s MOF (solgt under navnet Basolite) bruges endda i nogle kommercielle produkter, såsom avanceret energieffektivt isoleringsglas og kemiske filtre. Europa har et stærkt akademisk netværk omkring MOF’er (f.eks. afholder EU konferencer som EuroMOF), og Den Europæiske Union har finansieret projekter som MOST-H2 (brintlager) og AMADEUS (ammoniaklagring med MOF’er) for at accelerere anvendt forskning.

Kina er i det seneste årti blevet en produktiv bidragyder til MOF-videnskaben. Faktisk står kinesiske forskere ifølge publikationstal for en stor del af nye MOF-artikler og patenter – inden for områder fra kulstoffangst til medicinlevering. En bibliometrisk undersøgelse bemærkede, at “Kina har ydet betydelige bidrag og indtager en førende position inden for MOF’er i kræftforskning” pmc.ncbi.nlm.nih.gov, for at nævne et eksempel. Store kinesiske institutioner som Jilin University, Nankai University og det Kinesiske Videnskabsakademi har dedikerede MOF-centre, der udforsker alt fra MOF-baserede batterier til CO₂-til-brændstof-katalysatorer. Den kinesiske regerings satsning på kulstofneutralitet inden 2060 har øget interessen for MOF’er til afkarboniseringsteknologier. Selvom Kina måske endnu ikke har så mange MOF-startups kendt globalt, har landet et stærkt samarbejde mellem industri og akademia. Bemærkelsesværdigt er det, at Kina fører inden for MOF-baseret metanlagring til køretøjer (et område, hvor adsorbentfyldte tanke kan gøre det muligt for naturgasbiler at rumme mere brændstof ved lavere tryk) og forsker i MOF’er til at opfange industrielle emissioner under sine nationale CCUS-programmer.

Andre regioner er også aktive: Japan bidrager fortsat (med forskning fra pionerer som Kitagawa og nyere arbejde med ledende MOF’er), Sydkorea har virksomheder som framergy (som samarbejder med internationale grupper om at kommercialisere MOF’er), og Australien huser ARC Centre of Excellence in Exciton Science, som undersøger MOF’er til sensorer og fotokatalyse. I Mellemøsten er Saudi-Arabiens KAUST et centrum for MOF-forskning (de har indsendt patenter på MOF-kulstoffangst, som nævnt) cas.org, og lande som De Forenede Arabiske Emirater og Qatar er interesserede i MOF’er til vandafsaltning og gasadskillelse, hvilket stemmer overens med deres behov.

Vigtigt er det, at udviklingen af MOF ikke længere er begrænset til laboratoriet. Patenter og kommercielle produkter er stigende. En analyse fra Chemical Abstracts Service i slutningen af 2024 fremhævede, at mens MOF-publikationer er eksploderet, “tyder væksten i patentpublikationer på, at en bredere kommercialisering af denne teknologi er nært forestående.” cas.org Især så CAS betydelig patentaktivitet inden for dekarboniseringsrelaterede anvendelser (CO₂-fangst, energi, gaslagring) og også inden for områder som rent vand og sensorer cas.org. Dette indikerer, at virksomheder og institutter beskytter MOF-baserede innovationer, mens de forbereder sig på implementering i den virkelige verden. Fra 2024 var kun et lille antal MOF-baserede produkter fuldt kommercialiseret businesswire.com – eksempler inkluderer Svantes CO₂-filtre, NuMats gasbeholdere, nogle niche-luftrenserenheder og en serie af MOF-baserede fugtighedskontrolpakker. Men vi ser ud til at være ved et vendepunkt. “Det globale MOF-marked oplever i øjeblikket en kritisk overgang fra akademisk forskning til industriel anvendelse,” bemærker en rapport fra ResearchAndMarkets, som forventer, at branchen vil vokse med ~30% årligt fremover businesswire.com. I 2035 kan MOF-applikationer være et marked til flere milliarder dollars, især drevet af CO₂-fangst, brintlagring, vandhøst og kemisk separation businesswire.com.

Fremstillingssiden vokser også: omkring 50 virksomheder verden over producerer nu MOF’er, selvom en stor del af kapaciteten er koncentreret hos nogle få aktører (som BASF og NuMat) businesswire.com. De udfordringer, de står overfor, inkluderer at skalere produktionen fra laboratoriegram til industrielle tons, mens kvaliteten opretholdes, og at gøre det omkostningseffektivt businesswire.com. Opmuntrende nok gøres der fremskridt – omkostningerne er faldet, efterhånden som teknikkerne forbedres, og virksomheder har udviklet kontinuerlige produktionsmetoder (i modsætning til langsom batchsyntese) for at fremstille MOF’er i større mængder businesswire.com. For eksempel bruger Promethean Particles i Storbritannien en flowreaktor til at producere MOF’er og andre nanomaterialer, og novoMOF i Schweiz tilbyder kontraktproduktion af MOF’er i stor skala. Disse udviklinger antyder, at hvis en stor efterspørgsel (for eksempel tusindvis af tons til kulstoffangstenheder) opstår, vil udbudssiden være klar til at imødekomme den.

Internationalt samarbejde er også tydeligt: Forskere fra forskellige lande er ofte medforfattere på MOF-artikler, og der er globale konferencer (f.eks. MOF2023 i Melbourne, MOF2024 i Vancouver), der samler fællesskabet. Dette hjælper med at sprede best practices og undgå dobbeltarbejde, givet det enorme kemiske rum for MOF’er.

Udsigter: Hvorfor MOF’er er vigtige for en bæredygtig fremtid

Som vi har set, befinder MOF’er sig i krydsfeltet mellem avanceret materialeforskning og problemløsning i den virkelige verden. De bliver ofte udråbt som en “game-changer” for bæredygtighed, fordi de muliggør processer, der tidligere var umulige eller ineffektive. CO₂-fangst er et godt eksempel – ved at gøre det mindre energikrævende at fjerne CO₂, kan MOF’er muliggøre bredere anvendelse af CO₂-fangst på kraftværker og fabrikker, hvilket markant kan reducere drivhusgasudledninger. Lagring af ren energi er et andet eksempel: MOF’er kan måske endelig gøre brint (og måske andre gasser som metan) praktiske som rene brændstoffer ved at løse lagringsproblemet. Inden for rent vand skaber MOF’er bogstaveligt talt vand fra luft eller renser vand billigt, hvilket adresserer knaphed og forurening uden store infrastrukturer. Inden for sundhedssektoren giver MOF’er håb om målrettet medicinlevering og følsom diagnostik, hvilket potentielt kan redde liv med smartere behandlinger. Og på tværs af industriel kemi tilbyder MOF’er mere energieffektive separations- og katalyseprocesser, som kan sænke CO₂-aftrykket ved produktion af hverdagskemikalier.

Det er sjældent, at én materialeklasse påvirker så mange sektorer – og det er derfor, MOF’er ofte sammenlignes med “det næste silicium” eller “det næste plastik” i forhold til transformerende potentiale. De repræsenterer en ny måde at bygge materialer op fra bunden med præcision (hvilket har givet dem sammenligninger med LEGO eller Tinkertoys på molekylært niveau). Denne retikulære designmetode var for det meste teoretisk for nogle årtier siden; nu er det et praktisk værktøj, som kemikere og ingeniører verden over har taget til sig.

Eksperter mener, at vi står på tærsklen til, at MOF’er går fra laboratoriekuriositeter til allestedsnærværende arbejdsmaterialer indlejret i forskellige teknologier. “Med alle deres potentielle anvendelser driver MOF’er vigtige gennembrud inden for nogle af vores mest udfordrende videnskabelige felter,” skrev en ACS-analytiker og tilføjede, at forbedringer inden for AI og maskinlæring fremskynder screeningen af MOF’er, “hvilket betyder, at flere fremskridt og kommercielle anvendelser kan være tæt på.” cas.org Tidslinjen for, hvornår MOF’er trænger ind på markedet, bliver allerede kortere: hvor den første MOF blev fremstillet i 1995, gik der indtil 2020’erne, før de første kommercielle anvendelser dukkede op, men vi kan se dusinvis af MOF-baserede produkter i de kommende år. Industrigiganter er opmærksomme – olie- og gasselskaber ser på MOF’er til renere processer, teknologivirksomheder kigger på MOF’er til luftfiltre i datacentre, og bilfirmaer er interesserede i MOF-brinttanke og CO₂-fangere til kabineluft.

Globalt set er støtten til MOF-forskning og -implementering i tråd med presserende prioriteter som klimaindsats, bæredygtig udvikling og avanceret produktion. Regeringer og investorer finansierer MOF-startups og pilotprojekter, idet de anerkender, at disse materialer kan give deres land en konkurrencefordel inden for ren teknologi. I USA og Europa indgår MOF’er i køreplaner for kulstoffangst og brintlager. Kinas seneste femårsplaner lægger vægt på nye materialer og bæredygtighed – områder, der ligger lige til højrebenet for MOF’er. Internationale organisationer er også involveret: for eksempel blev MOF-baseret kulstoffangst fremhævet på nylige CCUS-konferencer decarbonfuse.com, og MOF-vandhøstning er blevet dækket af medier som BBC og Scientific American, hvilket har bragt offentlighedens opmærksomhed på disse innovationer.

Selvfølgelig er der stadig udfordringer. Produktionsomkostninger og skalerbarhed skal fortsat forbedres (dog, som nævnt, sker der betydelige fremskridt på dette område businesswire.com). MOF’ers langsigtede stabilitet under reelle forhold (udsat for urenheder, mange cyklusser) skal bevises fra sag til sag. Og hver anvendelse skal konkurrere med andre teknologier (for eksempel: kan MOF-kulstoffangst udkonkurrere nye opløsningsmiddel- eller membransystemer? Kan MOF-vandhøstere overgå traditionel afsaltning i stor skala?). Disse spørgsmål vil blive besvaret i de kommende år gennem demonstrationsprojekter og økonomiske analyser. De tidlige tegn er opmuntrende: hvor MOF’er udmærker sig, udmærker de sig virkelig – og tilbyder egenskaber, som alternativer ikke kan matche (f.eks. kan intet andet materiale opfange vand ved 10 % luftfugtighed så effektivt eller lagre så meget brint i så let en form).

Afslutningsvis illustrerer MOF’er styrken ved kemisk innovation til at tackle globale udfordringer. De startede som en nysgerrighed i kemilaboratorier og har udviklet sig til en platform med potentiale til at gøre industrien renere, energien mere bæredygtig og ressourcer som vand mere tilgængelige. Den verdensomspændende indsats for at udvikle MOF’er – fra amerikanske startups til kinesiske universiteter, europæiske forskningskonsortier til mellemøstlige laboratorier – understreger en fælles optimisme omkring disse materialer. Som en rapport kortfattet udtrykte det, er MOF’er “på vej fra videnskabelig nysgerrighed til kommerciel virkelighed,” og løser problemer inden for CO₂-fangst, vand, energi og mere businesswire.com. Hvis de nuværende tendenser fortsætter, arbejder MOF’er måske snart stille og roligt i baggrunden i mange aspekter af dagligdagen, og hjælper med at realisere en grønnere og mere avanceret verden. Næste gang du tager en tår vand i ørkenen, kører i en brintbil eller indånder renere luft i en by, kan et metal-organisk framework meget vel være en del af forklaringen.

Kilder: Nyere forskning og ekspertkommentarer om MOF’er er hentet fra førende videnskabelige tidsskrifter, universitets pressemeddelelser og brancheanalyser, herunder Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.org cas.org, Businesswire pressemeddelelser businesswire.com, CORDIS (EU) cordis.europa.eu, og markedsanalyser businesswire.com, blandt andre. Disse kilder fremhæver enighed om, at MOF’er er en banebrydende platform inden for materialeforskning med hastigt voksende reel indflydelse.