מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs): גבישים דמויי ספוג שעשויים לחולל מהפכה בלכידת פחמן, אנרגיה נקייה ועוד

ל-MOFs יש שטח פנים פנימי בשיא עולמי של עד כ-7,000 מ"ר לגרם, עם עיצובים תיאורטיים של עד 14,600 מ"ר/גרם.
במהלך כ-20 שנה יצרו חוקרים כמעט 90,000 מבני MOF ייחודיים, כאשר מאות אלפים נוספים נחזים על ידי תיאוריה.
MOFs הם רשתות גבישיות נקבוביות הבנויות מצמתים מתכתיים ומקשרים אורגניים, ויוצרות סריג תלת-ממדי הניתן להתאמה הפועל כמו ספוג מולקולרי.
CALF-20, MOF מבוסס אבץ, יכול לאגור כטון אחד של CO2 ליום לכל מטר מעוקב בתנאים תעשייתיים.
ZnH-MFU-4l הוא MOF פורץ דרך ללכידת CO2 בטמפרטורה גבוהה, אשר קושר באופן סלקטיבי CO2 מגז פליטה חם בסביבות 300 מעלות צלזיוס, ולוכד יותר מ-90 אחוז מה-CO2.
DCF-1, שהושק על ידי Decarbontek באמצע 2025, הוא MOF בעלות נמוכה העשוי מאבץ אוקסיד וחומצה ציטרית, וצפוי לעלות כ-10 דולרים לקילוגרם בייצור מלא.
Svante מפעילה מערכת סופח MOF מסוג CALF-20 בפיילוט במפעל מלט, המסוגלת ללכוד כטון אחד של CO2 ליום.
MOF-303, MOF לאיסוף מים מבוסס אלומיניום, אפשר קציר מים ידני בעמק המוות ב-2023, שהחזיר כ-85–90% מהמים שנספגו, עם תפוקה של עד 285 גרם לקילוגרם ליום.
פרויקט MOST-H2 של האיחוד האירופי, שהושק ב-2022, משתמש בבינה מלאכותית לסינון MOFs לאחסון מימן; עד 2025 דווח על התקדמות עם סינון של מעל 10,000 מבנים ואבות-טיפוס שעמדו ביעדי DOE בתנאים קריוגניים.
MIL-101(Cr) ניתן להרחבת נקבוביות מכ-2.5 ננומטר ל-5 ננומטר באמצעות טיפול בחומצה אצטית, מה שמאפשר טעינה גבוהה יותר של איבופרופן ו-5-פלואורואורציל ושחרור מהיר יותר.

משנה משחק בחומרים מתקדמים וקיימות

דמיינו חומר עם כל כך הרבה שטח פנים פנימי, שצביטה קטנה ממנו מכילה שטח השווה לשישה מגרשי פוטבול news.berkeley.edu. חומרים כאלה, מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs), הם תרכובות גבישיות ונקבוביות המורכבות מצמתים מתכתיים המחוברים על ידי מקשרים אורגניים, ויוצרים רשתות דמויות ספוג בקנה מידה מולקולרי. מדענים משבחים את ה-MOFs כבעלי "אפשרויות כמעט בלתי מוגבלות" לבניית מבנים מותאמים אישית עם תכונות ייחודיות cas.org. בעשרים השנים האחרונות, המחקר על MOFs זינק – כמעט 90,000 מבני MOF ייחודיים נוצרו (ועוד מאות אלפים נחזים בתיאוריה) cas.org. גל זה מונע מההבטחה ש-MOFs יכולים להתמודד עם אתגרים קריטיים בתחום הקיימות והטכנולוגיה. מהלכידת פחמן דו-חמצני מחמם אקלים ואחסון דלק מימן נקי ועד להובלת תרופות ואיסוף מים מאוויר מדברי, MOFs ערוכים להוביל פריצות דרך בתחומים הנעים מאנרגיה וסביבה ועד ביו-רפואה cas.org cas.org. בדיווח זה נסביר מהם MOFs, כיצד הם פועלים ומיוצרים, ולמה הם נחשבים למהפכניים. נבחן יישומים מרכזיים – כולל לכידת פחמן, אחסון מימן, הובלת תרופות, חיישנים ואיסוף מים – תוך הדגשת פריצות דרך מדעיות עדכניות, יישומים בעולם האמיתי ותובנות מומחים. בסקירת המצב העולמי (ארה"ב, האיחוד האירופי, סין ומעבר) והחידושים האחרונים, נראה מדוע MOFs נחשבים לחומרים משני משחק לעתיד בר-קיימא יותר.

מהם MOFs? גבישים נקבוביים עם שטחי פנים שיא

מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) הן מחלקה יוצאת דופן של חומרים הבנויים כמו צעצועי הרכבה מולקולריים. הם מורכבים מיוני מתכת או אשכולות מתכת המשמשים כמרכזים, המקושרים יחד על ידי מולקולות אורגניות (ליגנדים) כקורות. רכיבים אלה מתארגנים בעצמם למבנה גבישי פתוח דמוי כלוב – למעשה יוצרים רשת תלת-ממדית נקבובית שמוחזקת יחד על ידי קשרי קואורדינציה cas.org. התוצאה היא ספוג גבישי: ל-MOFs יש נקבוביות ושטח פנים גבוהים במיוחד, כלומר הפנים שלהם מלא בחללים ותעלות זעירות שמולקולות אחרות יכולות להיכנס אליהן. למעשה, ל-MOFs יש את שיא העולם בשטח פנים של חומר – יש כאלה שמציעים עד כ-7,000 מ"ר לגרם, עם עיצובים תיאורטיים עד 14,600 מ"ר/גרם cas.org. כדי להמחיש, רק כף אחת של MOF טיפוסי יכולה להכיל שטח פנימי בגודל של כמה מגרשי כדורגל, מה שמספק שפע מקום לספיחת גזים או מולקולות אחרות news.berkeley.edu.

שטח הפנים העצום הזה ומבנה הנקבוביות הניתן להתאמה הם מה שהופך את ה-MOFs לכל כך מיוחדים. על ידי החלפת הצמתים המתכתיים או המקשרים האורגניים, כימאים יכולים ליצור MOFs שונים עם גדלים, צורות ותכונות כימיות של נקבוביות בהתאמה אישית cas.org. כמעט כל שילוב אפשרי – אחד מחלוצי התחום, פרופסור עומאר יאגי (שסינתז את ה-MOFs הראשונים בשנות ה-90), ציין כי עשרות אלפי MOFs כבר יוצרו ו"מאות אלפים נוספים" נחזים על ידי אלגוריתמים cas.org. אסטרטגיית העיצוב המודולרית "רשתית" הזו מאפשרת למדענים למעשה לעצב חומרים לפי דרישה: לדוגמה, ניתן להנדס MOF שיבחר ללכוד מולקולות CO₂, או לזהור בנוכחות רעלן, פשוט על ידי בחירת אבני הבניין המתאימות. הצד השני של המגוון הזה הוא אתגר – עם כל כך הרבה מבנים אפשריים, קשה לחזות איזה MOF יעבוד הכי טוב למשימה מסוימת cas.org. (חוקרים משתמשים יותר ויותר בבינה מלאכותית ולמידת מכונה כדי לסנן מאגרי MOF ולהציע את המועמדים המבטיחים ביותר, נקודה שנחזור אליה בהמשך cas.org.)

לסיכום, MOF הוא כמו ספוג או פיגום אולטרה-עדין בקנה מידה ננו. הוא עשוי מחלקים אורגניים ואי-אורגניים הנעולים בסריג חוזר, וכתוצאה מכך מתקבל חומר מוצק שרובו חלל ריק. החללים הריקים הללו יכולים לאכסן מולקולות אורחות. חשוב לציין, ש-MOFs בדרך כלל נשארים יציבים גם לאחר שה"אורחים" – הממסים הראשוניים – מוסרים מהם; השלד הריק נשאר שלם ונקבובי, מוכן לספוח מולקולות חדשות ולשחרר אותן בתנאים המתאימים en.wikipedia.org. קליטה ושחרור הפיכים אלה הם המפתח ליישומים מאחסון גזים ועד שחרור תרופות. כפי שמסביר ד"ר קורטיס קארש, כימאי מאוניברסיטת ברקלי: "כתוצאה מהמבנים הייחודיים שלהם, ל-MOFs יש צפיפות גבוהה של אתרים שבהם ניתן ללכוד ולשחרר CO₂ בתנאים המתאימים" news.berkeley.edu – או ללכוד ולשחרר מולקולות אחרות באותו אופן. למעשה, MOFs מציעים שילוב חסר תקדים של קיבולת גבוהה (בזכות שטח פנים עצום), אפשרות להתאמה (בעיצוב כימי), והפיכות, מה שהופך אותם לפלטפורמה עוצמתית במדע החומרים.

איך מייצרים MOFs, ואיך הם פועלים?

הסינתזה של MOF לעיתים קרובות קלה יותר ממה שמרמז המבנה המורכב שלו. בדרך כלל, מדענים ממיסים מקור מתכת (כמו מלח מתכת) ומולקולת מקשר אורגנית בממס, ואז מעודדים יצירת גבישים על ידי ערבוב איטי, חימום או אידוי. יוני המתכת והמקשרים מתואמים באופן ספונטני ומתגבשים לשלד מסודר – גידול גביש MOF בדומה להיווצרות סוכריות סלע מתמיסת סוכר, אך בקנה מידה מולקולרי. רבים מה-MOFs מיוצרים בשיטות סולוותרמיות (חימום הרכיבים בכלי סגור), אך טכניקות חדשות כוללות סינתזה בסיוע מיקרוגל, ייבוש בהתזה ואפילו טחינה מכנית ללא ממס. מה שמרשים הוא שMOFs לעיתים קרובות מסוגלים להרכיב את עצמם בתנאים מתונים יחסית. לדוגמה, MOF פורץ דרך ללכידת פחמן בשם DCF-1 מסונתז בפשטות על ידי ערבוב אבץ אוקסיד עם חומצה ציטרית במים – "שיטה בטוחה, בת-קיימא ובעלת פטנט תלוי ועומד" שמניבה MOF בעל ביצועים גבוהים בזול businesswire.com. דוגמה זו ממחישה כיצד חוקרים משפרים את שיטות הייצור כדי להוזיל עלויות ולהימנע מכימיקלים קשים. גבישי MOF יכולים לנוע מגודל ננומטרי ועד מילימטרי, ובדרך כלל מעובדים לאבקות או מעוצבים לכדורים וממברנות לשימוש מעשי.

הדרך שבה MOFs פועלים מתבססת על ספיחה וסלקטיביות. הנקבוביות שלהם משמשות כמעין תאי אחסון או מלכודות זעירות למולקולות. כאשר MOF נחשף לגז או לנוזל, מולקולות מטרה יכולות להיכנס לנקבוביות ולהיצמד למשטחים הפנימיים (באמצעות כוחות ואן דר ואלס, אינטראקציות כימיות באתרים מסוימים וכו'). מכיוון של-MOFs יש שטח פנים פנימי עצום ולעיתים קבוצות כימיות שנקשרות למולקולות מסוימות, הם מסוגלים לספוח כמויות מדהימות. לדוגמה, MOF אחד (CALF-20, מסגרת מבוססת אבץ) יכול להכיל כ-טון אחד של CO₂ ליום לכל מטר מעוקב של חומר בתנאים תעשייתיים businesswire.com – למעשה פועל כמו ספוג ענק לפחמן דו-חמצני. יחד עם זאת, הספיחה בדרך כלל הפיכה: על ידי שינוי תנאים (חימום ה-MOF, הורדת הלחץ או שטיפה בגז אחר), המולקולות הכלואות משתחררות (מתבצעת דסורפציה) וה-MOF מתחדש לסבב נוסף news.berkeley.edu. מחזוריות הלכידה והשחרור הזו היא קריטית ליישומים כמו לכידת פחמן או אחסון גזים, שבהם יש צורך להשתמש ב-MOF שוב ושוב. בדוגמת לכידת CO₂, כאשר ה-MOF רווי ב-CO₂, "ניתן להסיר את ה-CO₂ על ידי הורדת הלחץ החלקי שלו – או על ידי שטיפה בגז אחר או על ידי יצירת ואקום. ה-MOF אז מוכן לשימוש חוזר בסבב ספיחה נוסף" news.berkeley.edu.

הכימיה הפנימית של כל MOF ניתנת לכיוון כך שתעדיף מולקולות מסוימות על פני אחרות, מה שהופך אותם לסלקטיביים במיוחד. לחלק מה-MOFs יש אתרי מתכת פתוחים או קבוצות פונקציונליות בנקבוביות שפועלות כמו ווים לגזים מסוימים. אחרים מעוטרים במולקולות (כמו אמינים או אתרי נחושת) שמגיבות עם מטרה (כמו CO₂). יכולת הכיוון הזו היא יתרון גדול – בניגוד לחומרים נקבוביים מסורתיים (למשל פחם פעיל או זאוליטים) שלהם תכונות קבועות, MOFs ניתנים לעיצוב מותאם אישית. "המאפיינים הניתנים לכיוון שלהם הם הגורם המרכזי," מציין דוח של CAS Insights, "שטח פנים גבוה ונקבוביות בשילוב עם כימיה מתכווננת מעניקים ל-MOFs את היכולת לספוח גזים ותרכובות נדיפות, ומעוררים עניין עצום בהפרדת גזים ואחסון, במיוחד עבור CO₂" cas.org. בקיצור, MOFs פועלים על ידי לכידה סלקטיבית של מולקולות בנקבוביות הננומטריות שלהם – בדומה לנפה או מסנן עשוי ממולקולות – והם יכולים לשחרר את המטען כאשר מופעל גירוי מתאים. רעיון פשוט זה מהווה את הבסיס למגוון השימושים שנדון בהם, החל מסילוק CO₂ מפליטות, דרך אחסון מימן בצפיפות גבוהה יותר, ועד נשיאת מולקולות תרופה בזרם הדם.

יישומים עיקריים של MOFs

יכולות הספיגה הייחודיות של MOFs הופכות אותם לשימושיים במגוון מפתיע של יישומים. להלן נסקור כמה מהשימושים המשמעותיים ביותר הנחקרים כיום – יחד עם פריצות דרך ודוגמאות עדכניות בכל תחום.

לכידת פחמן והפחתת שינויי אקלים

אחד היישומים הדחופים ביותר ל-MOFs הוא לכידת פחמן דו-חמצני מגזי פליטה של תחנות כוח או אפילו ישירות מהאוויר. הפחתת פליטות CO₂ היא קריטית למאבק בשינויי האקלים, ו-MOFs מתגלים כ“מהחומרים המבטיחים ביותר ללכידת פחמן” משום שהם מסוגלים לספוג CO₂ ביעילות גבוהה יותר ובעלות אנרגטית נמוכה יותר לעומת השיטות הקונבנציונליות ccarbon.info. טכנולוגיות לכידת פחמן מסורתיות משתמשות בתמיסות אמינים נוזליות לקשירת CO₂, אך אמינים הם חומרים קורוזיביים, דורשים הרבה אנרגיה להתחדשות, ולרוב פועלים רק בטמפרטורות נמוכות יחסית (כ-40–60 °C). עם זאת, גזי פליטה תעשייתיים רבים הם חמים בהרבה (פליטות ממפעלי מלט ופלדה עשויות לעלות על 200–300 °C), מה שמקשה ומייקר את לכידת הפחמן כי יש לקרר תחילה את הגזים news.berkeley.edu. MOFs מציעים קפיצת מדרגה אפשרית: ניתן לתכנן אותם כך שיתפסו CO₂ גם בתנאים קשים, וישחררו אותו באמצעות חימום מתון או שינויי לחץ, תוך שימוש בפחות אנרגיה משמעותית לעומת מסנני אמינים ccarbon.info.

בסוף 2024, כימאים מאוניברסיטת ברקלי דיווחו על פריצת דרך ב-MOF שיכול ללכוד CO₂ מגז פליטה חם ללא קירור מוקדם. החומר, הידוע בשם ZnH-MFU-4l, מכיל אתרי הידריד אבץ בתוך הנקבוביות שלו שקושרים CO₂ בחוזקה בטמפרטורות גבוהות. "מצאנו ש-MOF יכול ללכוד פחמן דו-חמצני בטמפרטורות גבוהות חסרות תקדים – טמפרטורות שרלוונטיות לתהליכים רבים הפולטים CO₂," אמר ד"ר קורטיס קארש, מחבר שותף ראשון של המחקר. "זה היה משהו שבעבר לא נחשב לאפשרי עבור חומר נקבובי." news.berkeley.edu בתנאי פליטה מדומים, MOF זה הצליח לתפוס באופן סלקטיבי CO₂ בטמפרטורה של כ-300 מעלות צלזיוס (טיפוסי לגז פליטה של מלט/פלדה) וללכוד מעל 90% מה-CO₂ בזרם ("לכידת פחמן עמוקה"), ביצועים המתחרים באמינים נוזליים news.berkeley.edu. פעולה בטמפרטורה כה גבוהה מונעת את הצורך לבזבז אנרגיה ומים לקירור הפליטות news.berkeley.edu, ובכך עשויה לאפשר לכידת פחמן בתעשיות "קשות להפחתת פחמן" כמו פלדה ומלט. "מכיוון שאנטרופיה מעדיפה שמולקולות כמו CO₂ יישארו במצב גזי יותר ויותר ככל שהטמפרטורה עולה, היה מקובל לחשוב שלכידת מולקולות כאלה עם מוצק נקבובי בטמפרטורות מעל 200 מעלות צלזיוס היא בלתי אפשרית," ציין פרופסור ג'פרי לונג, שהוביל את המחקר. "העבודה הזו מראה שבעזרת הפונקציונליות הנכונה… ניתן בהחלט להשיג לכידת CO₂ בקיבולת גבוהה ב-300 מעלות צלזיוס." news.berkeley.edu התגלית פותחת כיוון עיצוב חדש (שימוש באתרי הידריד מתכת ב-MOFs) לחומרי לכידת פחמן מהדור הבא news.berkeley.edu.MOFs גם בולטים בתפקידים המסורתיים יותר של לכידת CO₂. העניין של סטארטאפים וחברות תאגידיות זינק: אקסון מוביל הגישה פטנטים על טכנולוגיות MOF ללכידת פחמן cas.org, וחוקרים בKAUST בערב הסעודית רשמו פטנטים על MOFs ללכידת CO₂ ולהפרדת גזים cas.org. סטארטאפים רבים מתחרים על מסחור מסנני CO₂ מבוססי MOF. לדוגמה, Nuada (סטארטאפ מהאיחוד האירופי) בוחן מערכות MOF כדי לסייע ליצרני מלט ללכוד CO₂ מגזי פליטה cas.org. חברה נוספת, Mosaic Materials, פיתחה MOF עם תפקוד אמיני ללכידת CO₂ שהיה כה מבטיח עד שנרכשה על ידי חברת הטכנולוגיה האנרגטית Baker Hughes ב-2022 לצורך הגדלת היקף הפעילות news.berkeley.edu. ה-MOF של Mosaic נבדק בפיילוטים כחלופה לאמינים נוזליים, ואפילו ללכידת CO₂ ישירות מהאוויר news.berkeley.edu.רק באמצע 2025, Decarbontek, Inc. הודיעה כי היא מייצרת באופן מסחרי סופח MOF ללכידת פחמן. החברה השיקה את DCF-1 (De-Carbon Framework-1), וכינתה אותו "MOF פורץ דרך, בעלות נמוכה וביצועים גבוהים, שנועד ללכידת פחמן בקנה מידה גדול", וכעת זמין לפי קילוגרם ccarbon.info. "עם השקת DCF-1, אנחנו מציבים סטנדרט חדש לחומרי לכידת פחמן," אמר ד"ר יונג דינג, מנכ"ל Decarbontek. "הוא חסכוני, קל לייצור ויעיל מאוד – מה שהופך את לכידת הפחמן לנגישה עבור תעשיות רבות." businesswire.com ניתן לייצר את DCF-1 בזול (באמצעות אבץ אוקסיד וחומצה ציטרית נפוצים) והמטרה היא שיעלה רק כ-10 דולרים לק"ג בייצור מלא, "בדומה למסננים מולקולריים נפוצים", לדברי דינג businesswire.com. זה משמעותי כי MOF נחשבו מזמן ליקרים מדי לשימוש המוני; MOF זול וקל לייצור עשוי להסיר חסם מרכזי לאימוץ ccarbon.info. לפי הדיווחים, החומר משלב קליטת CO₂ גבוהה עם תהליך ייצור לא רעיל על בסיס מים, אידיאלי להתקנה על מפעלים קיימים או אפילו לשאיבת CO₂ מהאוויר businesswire.com. המוצר של Decarbontek ואחרים דומים מדגישים כיצד טכנולוגיית MOF עוברת מהמעבדה לשוק בתחום לכידת הפחמן.אולי הסימן המוחשי ביותר להתקדמות הוא בפרויקטים ניסיוניים: Svante, חברה קנדית, משתמשת בסופח MOF (CALF-20, שמיוצר על ידי BASF) במערכת הדגמה שלוכדת כ-1 טון CO₂ ליום מגזי הפליטה של מפעל מלט businesswire.com. ניסוי זה בתנאי אמת מראה ש-MOFs מסוגלים להתמודד עם זרמי גז תעשייתיים ולתפקד בפועל בשטח. התפתחויות כאלה מרמזות ש-MOFs עשויים בקרוב למלא תפקיד מרכזי במאמצי לכידה, שימוש ואחסון פחמן (CCUS) ברחבי העולם, ולעזור לתעשיות להפחית פליטות CO₂. מאחר שלכידת פחמן חיונית להתמודדות עם שינויי האקלים (במיוחד עבור מגזרים שלא ניתן לחשמל בקלות), MOFs נחשבים בעיני רבים כפריצת דרך של "חומר פלא" בתהליך הדה-קרבוניזציה news.berkeley.edu, energiesmedia.com. על ידי הצעת יעילות גבוהה יותר ועונש אנרגטי נמוך יותר, לכידת פחמן מבוססת MOF עשויה לאפשר אימוץ רחב יותר של CCUS – גשר חשוב לעתיד נטו-אפס בזמן שאנרגיה מתחדשת מתרחבת. לסיכום, MOFs מספקים ארגז כלים חדש ועוצמתי להתמודדות עם CO₂, מארובות מפעל ועד לאוויר הפתוח, ולכן תחום יישום זה נותר המוקד הלוהט ביותר במחקר ובמסחור MOF.

אחסון מימן ואנרגיה נקייה

אם MOFs יכולים לסייע בהסרת פחמן ממערכות האנרגיה הנוכחיות שלנו, הם גם עומדים לאפשר את נשאי האנרגיה הנקייה כמו מימן בעתיד. מימן (H₂) הוא דלק מבטיח ללא פחמן (הוא נשרף ומייצר רק מים), אך אחסון מימן ביעילות הוא אתגר מרכזי – H₂ הוא גז בצפיפות נמוכה מאוד, ודחיסה או נזילה שלו דורשות הרבה אנרגיה ומכלים כבדים. MOFs מציעים דרך לאחסן מימן בצורה קומפקטית ובטוחה באמצעות ספיחה. למעשה, ניתן להטעין גז מימן לנקבוביות של MOF בצפיפות גבוהה (במיוחד בטמפרטורות נמוכות), כמו ביצים במגש ביצים, ואז לשחרר אותו לפי הצורך. משרד האנרגיה האמריקאי ואחרים קבעו יעדים לחומרי אחסון מימן (באחוז משקל ובנפח H₂ מאוחסן), וחלק מה-MOFs התקרבו או אף עברו יעדים אלה בטמפרטורות קריוגניות.

באירופה, מתבצע מאמץ משולב לנצל MOFs לאחסון מימן. פרויקט MOST-H2 במימון האיחוד האירופי (שהושק ב-2022) מפתח מערכות אחסון מימן קריו-אדסורפטיביות באמצעות MOFs מתקדמים cordis.europa.eu. בקריו-אדסורפציה, גז המימן מקורר (בדרך כלל לטמפרטורת חנקן נוזלי, כ-77 קלווין) ונספג על גבי חומר נקבובי, מה שמאפשר צפיפות גבוהה ללא לחצים קיצוניים. "הנשק הסודי של הפרויקט הוא סוג מיוחד של חומר גבישי נקבובי הנקרא MOFs," אותם הם מעצבים לסופחי MOF מונוליתיים עם שילוב מיטבי של קיבולת נפחית ומשקלית cordis.europa.eu. עד 2025, דיווחו חוקרי MOST-H2 על "התקדמות משמעותית" – הם שילבו סינון מבוסס בינה מלאכותית עם ניסויים כדי לזהות תרכובות MOF חדשות שעולות על היעדים המקובלים לאחסון מימן הן מבחינת קיבולת משקלית והן מבחינת קיבולת נפחית cordis.europa.eu. פריצות דרך אלו הובטחו באמצעות בקשות פטנט cordis.europa.eu, המדגישות את החדשנות שלהן. בפועל, אב-טיפוסי ה-MOF של הצוות מסוגלים לאחסן מימן בצפיפות בתנאים קריוגניים, בחומרים שקלים ובטוחים לטיפול (ללא לחצים גבוהים במיוחד) ויש להם "טביעת רגל סביבתית קטנה מאוד" cordis.europa.eu. המטרה הסופית היא לשלב את ה-MOFs הללו ב"פתרון אחסון מימן מלא מהמעבדה למיכל" ליישומים כמו כלי רכב מונעי מימן (הפרויקט בוחן מקרי מבחן לרכבות מונעות מימן באוסטריה ואיטליה) cordis.europa.eu.

אחד ההיבטים הבולטים במאמץ זה הוא השימוש בלמידת מכונה להאצת הגילוי. פרויקט MOST-H2 פיתח כלי בינה מלאכותית לחיזוי אילו מבני MOF יהיו אופטימליים לקליטת מימן, ויצר "מאגר נתונים חזק של חומרים בעלי ביצועים גבוהים" והדגים כיצד שיטות חישוביות יכולות לשנות את פיתוח ה-MOF cordis.europa.eu. על ידי סינון וירטואלי של יותר מ-10,000 מבני MOF, ולאחר מכן בדיקת המועמדים המובילים במעבדה, הצליחה הקבוצה לזהות מספר חומרים מצטיינים אותם מיהרו לרשום כפטנט cordis.europa.eu. גישה זו מקצרת משמעותית את הניסוי והטעייה הנדרשים בדרך כלל במו"פ חומרים. כתוצאה מכך, ה-MOFs של הפרויקט בדרך לעמוד או לעלות על יעדי האחסון המחמירים הנדרשים למכלי דלק מעשיים, וכל זאת תוך שמירה על עלות-תועלת ויציבות לאורך מחזורים רבים cordis.europa.eu. עיצוב המכל מבוסס ה-MOF גם עובר אופטימיזציה באמצעות מודלים מתקדמים של העברת חום ומסה וניתוח מחזור חיים, כדי להבטיח שניתן יהיה להגדילו ולשלבו בכלי רכב אמיתיים cordis.europa.eu.

מעבר לפרויקט זה, חוקרים נוספים הדגימו MOFs המסוגלים לקליטת מימן מרשימה. לדוגמה, MOF-74 (מסגרת מוכרת) יכול לספוג יותר מימן מכל מיכל לא דחוס ב-77 קלווין, מה שמצביע על הפוטנציאל של MOFs להסיר את צוואר הבקבוק באחסון מימן innovations-report.com. האסטרטגיה הכללית היא לפעול בטמפרטורות קריוגניות – מה שעשוי להישמע עתיר אנרגיה, אך טכניקות כמו בידוד חכם או שימוש בקירור "חינמי" מהתאדות מימן נוזלי יכולות להפוך זאת לישים. התוצאה עשויה להיות מכלי מימן קלים ובעלי קיבולת גבוהה למכוניות, אוטובוסים או מטוסים עם תא דלק, שאינם דורשים דחיסה של 700 בר או מיכלים כבדים במיוחד. מכלים כאלה יכולים להיות "סוללות מימן במצב מוצק", שבהן גרגירי MOF מחזיקים מימן בבטחה בלחצים מתונים. חוקרים בוחנים גם MOFs לאחסון מימן בטמפרטורת החדר, אם כי עדיין אין חומר שעומד בכל יעדי משרד האנרגיה האמריקאי בתנאים סביבתיים.

לסיכום, MOFs נמצאים בחזית פתרון הדילמה של אגירת מימן. הם פועלים כמו ננו-ספוגים שדוחסים מולקולות מימן בצפיפות באמצעות ספיחה, ומאפשרים ליותר מימן להיכנס לנפח נתון בלחץ נתון. MOFs עכשוויים בשילוב קירור קריוגני הראו קיבולות שיא – העולות על מה שמימן נוזלי מסוגל להשיג לנפח במקרים מסוימים – מה שעשוי לאפשר לכלי רכב מונעי מימן לנסוע רחוק יותר על מיכל ולתדלק מהר יותר. עם עניין עולמי במימן כנשא אנרגיה נקי (לתחבורה, אגירה לרשת ולתעשייה), התקדמויות כמו מיכלי MOF הן קריטיות. העובדה שמוגשים פטנטים וממומנים פרויקטים רב-שנתיים באיחוד האירופי ובמקומות נוספים מצביעה על ביטחון בכך ש-MOFs ימלאו תפקיד מרכזי בכלכלת המימן. כפי שנכתב בדו"ח של האיחוד האירופי, חומרים חדשניים אלה מבטיחים "פתרונות אגירת מימן זולים, יעילים וידידותיים לסביבה" עבור יעדי האקלים של אירופה cordis.europa.eu – אמירה שמקבלת הד עולמי כאשר מדינות משקיעות בתשתיות H₂.

שחרור מבוקר של תרופות ויישומים ביו-רפואיים

MOFs אינם מיועדים רק לאנרגיה וסביבה – הם גם פורצים דרך ברפואה ביו-רפואית כמערכות חדשניות לשחרור תרופות וסוכני דימות. בהקשר הפרמצבטי, MOFs יכולים לשמש כנשאים ננומטריים למולקולות טיפוליות. הרעיון הוא שתרופה (שיכולה להיות מולקולה קטנה, חלבון או אפילו חומצת גרעין) נטענת לנקבוביות ה-MOF ואז מועברת בגוף כשהיא מוגנת על ידי כלוב ה-MOF. המסגרת הנקבובית יכולה לעיתים להגן על התרופה מפירוק מוקדם, לכוון את שחרורה למיקום מסוים, או לאפשר שחרור איטי ומבוקר לאורך זמן. ניתן אף להנדס MOFs כך שיגיבו לגירויים (כמו pH או אור) כדי להפעיל שחרור תרופה לפי דרישה jnanobiotechnology.biomedcentral.com. זהו תחום מחקר מתפתח בננו-רפואה.

יתרון אחד של MOFs הוא קיבולת העמסה גבוהה – בשל שטח הפנים העצום שלהם, הם יכולים לשאת כמות רבה של תרופה ביחס למשקלם. בנוסף, ניתן לייצר MOFs רבים מרכיבים ביוקומפטיביליים (למשל, צמתים של אבץ או ברזל עם חומצות אורגניות אכילות), מה שאומר שהם יכולים להתפרק לתוצרי לוואי לא רעילים בגוף cas.org. למעשה, חלק מה-MOFs הם ידידותיים לביולוגיה ומתכלים ביולוגית, מה שהופך אותם לאטרקטיביים לשימוש ביצורים חיים cas.org. חוקרים טבעו את המונח "ננו-MOFs" עבור חלקיקי MOF קטנים מאוד (בדרך כלל 50–200 ננומטר) המיועדים להזרקה לזרם הדם או להעברה תאית axial.acs.org. כמה מהננו-MOFs הללו התקדמו לניסויים קליניים לטיפול בסרטן axial.acs.org – לדוגמה, כנשאים לתרופות כימותרפיות או לשיפור טיפול בקרינה. הדבר מדגים את הפוטנציאל האמיתי של MOFs כפלטפורמה ברפואה.מחקר עדכני משנת 2024 הדגים כיצד שינוי כימי פשוט יכול לשפר את ביצועי מסירת התרופות של MOF. מדענים מאוניברסיטת מיאמי לקחו MOF מוכר בשם MIL-101(Cr) (מסגרת מבוססת כרום עם נקבוביות גדולות) ו"ניפחו" אותו למעשה באמצעות שלב סינתזה נוסף acs.org. הם טיפלו בגבישי ה-MOF במעט חומצה אצטית (בדומה לחומץ) כדי להרחיב את גודל הנקבוביות מכ-2.5 ננומטר ל-5 ננומטר, ובכך הגדילו את שטח הפנים הפנימי acs.org. חלקיקי ה-MOF "מורחבי הנקבוביות" הללו הוטענו לאחר מכן בשתי תרופות מודל – איבופרופן (נוגד דלקת) ו-5-פלואורואורציל (תרופה כימותרפית) – כדי לבדוק קיבולת וקינטיקת שחרור. התוצאות היו בולטות: "ה-MOFs המנופחים החזיקו יותר איבופרופן או תרופה כימותרפית בהשוואה לגרסה המקורית והפגינו ביצועים משופרים כפוטנציאל למסירת תרופות." acs.org מכיוון שהנקבוביות היו גדולות יותר, יותר מולקולות תרופה יכלו להיכנס פנימה, ואכן ה-MOF המותאם ספג כמות גבוהה יותר של שתי התרופות מאשר MIL-101 הלא-מותאם acs.org. יתרה מכך, בניסויי שחרור, ה-MOF עם נקבוביות מורחבות שחרר את התרופות מהר משמעותית מהמקור, בשל הפתחים הגדולים יותר שפעלו כ"דלתות" רחבות ליציאת המולקולות acs.org. שחרור מהיר עשוי להיות מועיל להשגת רמות טיפוליות במהירות, בעוד ששחרור איטי ומבוקר ניתן להשגה באמצעות התאמות אחרות. החוקרים רואים בשיטת השטיפה בחומצה הפשוטה הזו דרך ל-כוונן את פרופיל מסירת התרופות של MOF לצרכים שונים acs.org. כפי שהם מציינים, "שינויים פשוטים כגון אלה עשויים למקסם את היעילות של MOFs ביישומי מסירת תרופות עתידיים", ועבודה מתמשכת בוחנת כיצד ניתן להשיג שחרור איטי וממושך לאורך פרקי זמן מוגדרים על ידי התאמת מבנה הנקבוביות acs.org.

זהו רק דוגמה אחת מני רבות. מחקרים אחרים הראו ש-MOFs יכולים לשאת שילובים של תרופות, להגן על ביומולקולות עדינות כמו חלבונים או RNA, ואפילו לאפשר העברת תרופות ממוקדת לגידולים (על ידי הצמדת ליגנדים ייעודיים ל-MOF). מכיוון שניתן לשלב בין מתכות שונות, חוקרים גילו כי בחירת המתכת משפיעה על קצב השחרור – למשל, מחקר אחד מצא ש-MOFs העשויים ממגנזיום שחררו תרופה ניסיונית מהר יותר מאשר אלו העשויים מזירקוניום, מה שמרמז כי צמתים מתכתיים מסיסים יותר מובילים להתפרקות מהירה יותר של המסגרת ולשחרור התרופה axial.acs.org. תובנות אלו מנחות את עיצוב ה-MOFs עבור שחרור תרופות “לפי דרישה” ותרנוסטיקה (טיפול + אבחון). ראוי לציין כי MOFs יכולים לשמש גם כסוכני ניגוד או גששי דימות; חלקם משלבים לנתנידים זוהרים או איזוטופים רדיואקטיביים למעקב, ואחרים משפרים אותות MRI. המאפיינים הזוהרים של MOFs מסוימים אפשרו אפילו פיתוח חיישנים ביולוגיים שיכולים לזהות סמני מחלה או רעלים סביבתיים באמצעות שינוי בפלואורסצנציה cas.org – ובכך מטשטשים את הגבול בין שחרור תרופות לחישה.

חשוב לציין שמחקרי בטיחות ראשוניים מראים כי MOFs המנוסחים כראוי יכולים להיות לא רעילים ומתפרקים ביולוגית בגוף cas.org. לדוגמה, MOFs העשויים מברזל או אבץ עם מקשרים בדרגת מזון יכולים להתפרק לחומרי תזונה או להיות מופרשים. תאימות ביולוגית זו, יחד עם קיבולת מטען גבוהה ורב-שימושיות, הובילה מומחים להכתיר את ה-MOFs כ-“דור חדש ומבטיח של נשאי תרופות חכמים” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. אף שעדיין לא אושרה תרופה מבוססת MOF לשוק, הניסויים הקליניים המתקיימים מרמזים שזה רק עניין של זמן. בעתיד הקרוב, ננו-חלקיקי MOF עשויים להעביר כימותרפיה ישירות יותר לתאי סרטן, להפחית תופעות לוואי, או לשמש כ“ננו-נוגדנים” הסופגים רעלים בגוף. תנופת המחקר חזקה – סקירה אחת מנתה עשרות מערכות שחרור תרופות מבוססות MOF עבור סרטן, HIV, סוכרת ועוד הנמצאות בחקירה pmc.ncbi.nlm.nih.gov. אם מאמצים אלו יצליחו, MOFs עשויים לבשר עידן חדש של רפואה מותאמת אישית, שבה הטיפול אינו רק במולקולת התרופה, אלא גם ברכב החכם שנושא אותה.

חיישנים וזיהוי

תודות לכימיה המתכווננת שלהן ולעיתים לפלואורסצנציה הטבעית שלהן, MOFs הפכו לרכיבים רבי עוצמה בחיישנים כימיים. שינוי קטן במבנה של MOF – למשל, קישור של מולקולת אורח או העברת אלקטרון – יכול להתבטא באות אופטי או חשמלי שניתן לזיהוי. זה הופך את ה-MOFs למצוינים בזיהוי תרכובות עקבות בסביבה, במזון, או אפילו בגוף האדם. חוקרים יצרו חיישנים מבוססי MOF למגוון רחב של מטרות: יוני מתכות כבדות, חומרי נפץ (כמו אדי TNT), גזים תעשייתיים מסוכנים, וביומרקרים למחלות, בין היתר sciencedirect.com, pubs.rsc.org.

אחת הגישות הפופולריות היא MOFs פולטות אור (לעיתים נקראות LMOFs). אלו MOFs שפולטים פלואורסצנציה או פוספורסצנציה באופן טבעי, או שדופקו במולקולות/יוני מתכת פלואורסצנטיים. כאשר אנליט מטרה נכנס לנקבוביות ה-MOF, הוא יכול לגרום לשינוי בפליטה – אולי על ידי דעיכה, הגברה או שינוי צבע. לדוגמה, MOFs מסוימות המכילות מתכות לנתנידיות יפלטו אות חזק שיכול להיכבות באופן בררני על ידי כימיקלים מסוימים, מה שמאפשר זיהוי של אותם כימיקלים בריכוזים נמוכים מאוד pubs.rsc.org. קיימות MOFs שפועלות כחיישני "הדלקה" ליוני מתכת כמו אלומיניום (זוהרות רק כאשר היונים נקשרים) pubs.acs.org, או כחיישנים מחליפי צבע ל-pH או חמצן. מכיוון של-MOFs יש מבנה מודולרי, מעצבי חיישנים יכולים לשלב אתרי זיהוי ישירות בשלד. דמיינו MOF עם כיסי קישור בגודל מדויק למולקולת מזהם – כאשר המזהם נלכד, הוא מפעיל העברת אלקטרון או אנרגיה שגורמת לעמעום או שינוי צבע בפלואורסצנציה של ה-MOF. סגוליות כזו מוערכת מאוד בתחום החישה.

יתרון מרכזי של חיישני MOF הוא שניתן להפוך אותם לרגישים ובררניים מאוד תוך שמירה על יציבותם. MOFs רבות פועלות בסביבות שונות (חלקן עמידות במים, לחישה בסביבה מימית). חוקרים אף פיתחו חיישני MOF שיכולים לזהות ביומרקרים בנוזלים מורכבים כמו שתן או דם על ידי סינון ולכידת המטרה בצעד אחד sciencedirect.com. תחום מרתק נוסף הוא חיישני MOF אלקטרוכימיים: MOFs מוליכים או קומפוזיטים יכולים לייצר תגובת זרם חשמלי כאשר גז או אדים נספגים, ולפעול כמו סוג חדש של "אף אלקטרוני" orcasia.org.

חשוב לציין שרבים מה-MOFs עשויים מרכיבים יחסית בלתי מזיקים, ולכן השימוש בהם בחיישנים לצרכנים או לרפואה הוא אפשרי. אנליסט של CAS ציין כי MOFs יכולים להיות מצוינים בתור חיישנים ביולוגיים משום שחלקם "בעלי רעילות נמוכה ומתכלים ביולוגית", במיוחד אלו המשמשים בזיהוי מבוסס לומיניסנציה cas.org. משמעות הדבר היא שגלאי מצופה MOF עשוי בעתיד לשמש בגוף (in vivo) לניטור מצבים, או שחלקיקי MOF יכולים להיות חלק מבדיקה אבחנתית שמתמוססת בבטחה לאחר השימוש. כבר כיום, חיישני MOF נבדקו לדברים כמו מתכות כבדות רעילות במים (כאשר ה-MOF זורח בנוכחות כספית או עופרת) pubs.acs.org, מזהמים במזון (חומרי הדברה או אנטיביוטיקה שגורמים לשינוי בפליטה של MOF) sciencedirect.com, ואפילו כחיישנים לבישים לניתוח נשימה.

דוגמה אחת בפיתוח היא מערך חיישנים מבוסס MOF לזיהוי חומרי נפץ וסוכני לוחמה כימית. על ידי שימוש במספר MOFs, שכל אחד מכוון להגיב לצורות כימיות שונות, המערך יכול להפיק "טביעת אצבע" ייחודית לכל חומר (בדומה לאופן שבו האף שלנו מבדיל בין ריחות). דוגמה נוספת: חוקרים יצרו חיישן MOF לומיניסנטי שיכול לסמן במהירות מזון מקולקל על ידי זיהוי אדי אמינים מפירוק בשר, ומספק שינוי צבע כאינדיקטור sciencedirect.com. פתרונות יצירתיים אלו מראים כיצד MOFs יכולים לתרום לבריאות ובטיחות הציבור.

בקצרה, MOFs מביאים רגישות גבוהה, אפשרות להתאמה ויציבות לטכנולוגיית חיישנים. הם יכולים לזהות מולקולות ברמות של חלקים למיליארד במקרים מסוימים, וניתן לעצב את התגובה שלהם כך שתהיה קלה לקריאה (שינוי צבע הנראה לעין, או שינוי בזרם/מתח לקריאה אלקטרונית). ככל שתקני ניטור סביבתי ובטיחות מזון הופכים מחמירים יותר, חיישני MOF עשויים למצוא שימוש נרחב בזכות השילוב של דיוק ופרקטיות. העובדה שניתן לייצר MOFs כסרטים דקים או אבקות שמצפות מכשירים הופכת את השילוב שלהם בחומרת חיישנים לאפשרי מאוד. חברות ומעבדות מחקר ברחבי העולם רושמות פטנטים על עיצובים של חיישני MOF cas.org cas.org, מה שמרמז שבקרוב נראה מוצרים מסחריים שמנצלים את טכנולוגיית ה-MOF – מחיישני מטבח חכמים שמזהים קלקול, ועד גלאים ניידים לאיכות אוויר ואיומי ביטחון. זהו תחום תוסס שבו כימיה והנדסה נפגשים, ו-MOFs נמצאים בחזית הפיכת עולמנו לניתן לזיהוי ומדידה בפרטים עדינים.

קצירת מים וטכנולוגיות מים נקיים

אולי אחת מהיישומים שנשמעים הכי עתידניים של MOFs – אך כזו שכבר הודגמה במציאות – היא הפקת מים ראויים לשתייה מהאוויר הדק. קצירת מים אטמוספרית היא טכנולוגיה שמטרתה להפיק לחות מהאוויר (אפילו באקלים מדברי יבש) כדי לספק מים טריים. מסירי לחות מסורתיים או רשתות ערפל דורשים אוויר לח יחסית או הרבה אנרגיה. אבל MOFs הראו יכולת ללכוד מים מאוויר יבש במיוחד (עד 10–20% לחות יחסית) ואז לשחרר אותם עם השקעת אנרגיה מינימלית, מה שהופך אותם לאידיאליים ליצרני מים עצמאיים באזורים מוכי בצורת.

הקונספט פותח לראשונה על ידי פרופסור עומאר יאגי (ממציא ה-MOFs) ועמיתיו. בשנת 2017 הם דיווחו לראשונה על MOF (MOF-801) שיכול לקצור מים מאוויר מדברי תוך שימוש באור שמש בלבד כמקור אנרגיה. דלג קדימה ל-2023, והטכנולוגיה קפצה מדרגה. חוקרים מאוניברסיטת ברקלי הציגו מכשיר ידני לקצירת מים באמצעות MOFs שנבדק בעמק המוות – אחד המקומות היבשים והחמים ביותר על פני כדור הארץ. המכשיר, בגודל של תיק גב קטן ומופעל כולו על ידי אור שמש סביבתי, פעל במחזוריות: בלילה לכד מים וביום שחרר אותם כנוזל. "הבדיקות הללו הראו שהמכשיר יכול לספק מים נקיים בכל מקום," דיווח הצוות, וכינה זאת פתרון דחוף כאשר "שינויי האקלים מחמירים את תנאי הבצורת." cdss.berkeley.edu קוצר המים מבוסס ה-MOF הצליח למשוך לחות מהאוויר עם לחות של עד 10% בלבד ולהפיק עד 285 גרם מים לכל קילוגרם MOF ליום בשטח cdss.berkeley.edu. (~285 גרם זה בערך כוס מים; בניסויי מעבדה בתנאים אידיאליים התפוקה אף גבוהה יותר.) מרשים במיוחד, הוא עשה זאת תוך שימוש ללא מקור כוח חיצוני מלבד אור השמש, כלומר אפס פליטות גזי חממה או צורך בחשמל cdss.berkeley.edu. הדבר מתאפשר כי ה-MOF סופח תחילה אדי מים מהאוויר הקריר בלילה; לאחר מכן, שמש היום מחממת את ה-MOF, מה שגורם לו לשחרר את המים כאדים שמעובים לנוזל באספן. ה-MOF יכול לפעול עשרות מחזורים ללא ירידה בביצועים וניתן לחדש אותו פשוט על ידי ייבוש, מה שהופך אותו לספוג מים עמיד לשימוש ארוך טווח cdss.berkeley.edu.

ה-MOF שבו השתמשו במכשיר החדש הוא מסגרת מבוססת אלומיניום (הנקראת MOF-303) שיש לה זיקה חזקה למים אך גם משחררת אותם בטמפרטורות מתונות (~80 מעלות צלזיוס). MOF זה נבחר בשל ביצועיו יוצאי הדופן: הוא מסוגל לקצור מים אפילו בתנאים צחיחים במיוחד ויציב לאורך אלפי מחזורים businesswire.com. למעשה, MOF-303 נבדק בהצלחה בעמק המוות, מה שמאשר את השימוש המעשי בו בסביבות קיצוניות businesswire.com. במהלך הבדיקות, המכשיר השיג התאוששות מים של כ-85–90% מהמים שנספגו בכל מחזור cdss.berkeley.edu, כלומר כמעט ולא אובדת לחות שנלכדה. ד"ר יאגי, שהוביל את המחקר שפורסם ב-Nature Water (יולי 2023), הדגיש את חשיבות הנושא: "כמעט שליש מאוכלוסיית העולם חיה באזורים הסובלים ממחסור במים. האו"ם צופה שעד 2050 כמעט 5 מיליארד אנשים יחוו מצוקת מים… זה רלוונטי מאוד לניצול מקור מים חדש." cdss.berkeley.edu על ידי ניצול המאגר העצום של מים באטמוספירה (אפילו במדבר יש מעט לחות באוויר), מכשירי MOF מציעים מקור מים חדש מפתה שהוא מבוזר ובר-קיימא. בניגוד למפעלי התפלה גדולים (שדורשים חשמל ומי ים), קוצר MOF יכול להיות מכשיר אישי או בקנה מידה כפרי שפועל בכל מקום שיש בו אוויר ואור שמש.מאמצים מסחריים כעת בעיצומם להרחבת קנה המידה של קוצרי מים מבוססי MOF. מספר סטארטאפים, לעיתים בשיתוף פעולה עם אוניברסיטאות, מקדמים את הטכנולוגיה. על פי דוח שוק עדכני, חברות כמו Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule, ו-Transaera מנצלות את תכונות הספיחה המעולות של MOF למים כדי לבנות מערכות קירור ומים מהדור הבא businesswire.com. לפי הדיווחים, מערכות אלו מסוגלות להפיק עד 0.7 ליטר מים לכל קילוגרם MOF ביום אפילו בתנאים צחיחים businesswire.com – בערך פי שניים מהתפוקה של האבות-טיפוס הראשונים – הודות לחומרים ועיצובים משופרים. Transaera, לדוגמה, משלבת MOF במזגנים אולטרה-יעילים שלא רק מקררים את האוויר אלא גם אוספים מים כבונוס (Transaera הייתה פיינליסטית בתחרות Global Cooling Prize). יוזמה נוספת של AQUAml (המשויכת ל-MIT) עושה שימוש ב-MOF עבור בקבוקי מים אישיים שמתמלאים מלחות האוויר. העובדה ש-MOF פועל גם בלחות נמוכה מאפשרת גם שימוש ל-ייבוש פסיבי במערכות מיזוג אוויר, מה שהופך את הקירור ליעיל יותר על ידי ייבוש האוויר ללא סלילי עיבוי cas.org.

קוצר המים מבוסס MOF הוא דוגמה מובהקת לאופן שבו חומרים אלו יכולים לתת מענה ל-צרכים הומניטריים ולהסתגלות לאקלים. באזורים עם מקורות מים מזוהמים, מכשירי MOF עשויים לספק מים ראויים לשתייה עם תשתית מינימלית. הם גם ניתנים להרחבה מודולרית – ניתן לפרוס מאות יחידות MOF לתמיכה בקהילה, או יחידה אחת למשפחה. חוקרים אף מדמיינים בקבוקי מים שמתמלאים מעצמם למטיילים ו-מחוללי מים לחיילים בשטח, כולם מופעלים על ידי MOF ואור שמש. אמנם העלות והגדלת הייצור הם האתגרים הבאים, אך ההתקדמות עד כה מעודדת מאוד. כפי שנכתב באחד המאמרים, מכשירי מים-מהאוויר מבוססי MOF גורמים לכך שזה מרגיש כמו "כימיה על גבול הקסם", והופכים משהו בלתי מוחשי כמו אוויר לאחד המשאבים החיוניים ביותר לחיים. עם שינויי האקלים שמגבירים את תדירות הבצורות, טכנולוגיות כאלה עשויות להיות משנות משחק לביטחון מים ויישום מעורר השראה של חומרים מתקדמים לטובת החברה.

שימושים מתפתחים נוספים (קטליזה, סוללות ועוד)

מעבר ליישומים המרכזיים שצוינו לעיל, MOFs מפגינים את הרב-גוניות שלהם בתחומים רבים נוספים. שטח הפנים הגבוה שלהם, האפשרות להתאמה אישית, והיכולת לשלב מתכות פעילות או קבוצות פונקציונליות הופכים אותם לאידיאליים עבור קטליזה – האצת תגובות כימיות. MOFs יכולים לשמש כקטליזטורים בעצמם או כחומרי מוצא לחומרים קטליטיים. לדוגמה, נעשה שימוש ב-MOFs עם אתרי מתכת פתוחים לקטליזה של המרת CO₂ לדלקים, וחומרים שמקורם ב-MOF (כמו שלדי פחמן ששומרים על מתכת מה-MOF) הראו ביצועים מצוינים באלקטרוקטליזה (למשל, להפחתת חמצן בתאי דלק) cas.org. מחקר אחד מצא כי ננו-צינוריות פחמן עם דופינג חנקן שמקורן ב-MOF הציגו "פעילות אלקטרוקטליטית ויציבות משופרות" לאלקטרוליזה של מים בהשוואה לקטליזטורים סטנדרטיים cas.org. היכולת לעצב את המבנה האטומי של קטליזטור באמצעות MOFs (לעיתים נקרא "nano-casting") היא אטרקטיבית מאוד בכימיה ירוקה ובתהליכים תעשייתיים.

MOFs נחקרים גם בהתקני אגירת אנרגיה. חוקרים בודקים MOFs כחומרי אלקטרודה בסוללות ליתיום-יון, כאשר המבנה הנקבובי יכול להכיל יוני ליתיום ואולי לשפר קיבולת או מהירות טעינה cas.org. חלק מה-MOFs (או נגזרותיהם) נבדקו כחומרים לסופר-קבלים לאגירת אנרגיה מהירה cas.org. למרות שרוב ה-MOFs מבודדים, הופיעה תת-קבוצה חדשה של MOFs מוליכים, שיכולים להוליך אלקטרונים ואולי ישמשו באלקטרוניקה או חיישנים. יש אפילו MOFs עם תכונות מגנטיות או פרואלקטריות אינהרנטיות הנחקרים עבור התקנים פונקציונליים מתקדמים.

תחום נוסף בו ניכרת חדשנות ב-MOF הוא הפרדת גזים וטיהור בתעשייה הכימית. נגענו בלכידת פחמן, אך MOFs יכולים גם לייעד הפרדות קשות אחרות – למשל, בידוד פרופילן מפרופן (שלב קריטי בייצור פלסטיק) או הסרת מזהמים מגז טבעי. חברות כמו UniSieve פיתחו ממברנות מבוססות MOF שפועלות כמו נפות מולקולריות, ומשיגות הפרדות חסכוניות באנרגיה. במקרה אחד, ממברנת MOF הצליחה להפריד פרופילן לטוהר של 99.5% מפרופן businesswire.com, ומציעה חלופה פוטנציאלית חסכונית באנרגיה לדיסטילציה (שבדרך כלל צורכת אנרגיה רבה להפרדות כאלה). באופן דומה, נבדקות מסנני MOF עבור מיחזור מקררים, טיהור ממסים תעשייתיים, ואפילו ניקוי פסולת גרעינית (לכידת יוד או קסנון רדיואקטיביים).

בשדה של אלקטרוניקה וחיישנים, חוקרים יצרו שכבות דקות מבוססות MOF שהן סלקטיביות לגזים מסוימים, מה שעשוי לאפשר פיתוח סוגים חדשים של חיישני גז או אפילו ממברנות לתאי דלק. שיקום סביבתי הוא נישה נוספת – MOFs יכולים ללכוד מזהמים כמו PFAS ("כימיקלים לנצח") ממים בזכות היכולת שלהם להתאים את הספיחה, וחלק מ-MOFs פוטוקטליטיים יכולים לפרק מזהמים אורגניים באור.

לבסוף, ל-MOFs יש גם שימושים משעשעים אך מסקרנים: מה דעתכם על בדים מ-MOF שסופגים ריחות או חומרים כימיים (לביגוד מגן)? או ציפויי MOF במקררים שסופגים אתילן ושומרים על טריות המזון? כל הרעיונות האלו נמצאים בשלבי בדיקה. בשורה התחתונה, MOFs הם חומר פלטפורמה: כמו שפולימרים או סיליקון מצאו שימושים רבים, MOFs הם "סכין שוויצרית" בעולם החומרים. כפי שנכתב בניתוח שוק אחד, "התכונות יוצאות הדופן של MOFs – כולל שטחי פנים שוברי שיאים, נקבוביות ניתנת להתאמה וכימיה בהתאמה אישית – מאפשרות פתרונות לאתגרים החברתיים הדחופים ביותר." businesswire.com מאוויר ומים נקיים ועד לאנרגיה ובריאות נקיות, ל-MOFs יש השפעה על מגוון רחב של חידושים.

הנוף הגלובלי: מחקר, פטנטים ומסחור ברחבי העולם

ההתרגשות סביב MOFs היא עולמית באמת. לאחר פריצות הדרך הראשונות בארה"ב (העבודה של פרופ' יאגי באוניברסיטת קליפורניה בברקלי ו-UCLA) וביפן (הגילויים העצמאיים של פרופ' סוסומו קיטגאווה בקיוטו), המחקר התפשט במהירות ברחבי צפון אמריקה, אירופה, אסיה ומעבר לכך. ארצות הברית נותרה מעצמה של חדשנות בתחום ה-MOF, עם אוניברסיטאות מובילות (ברקלי, MIT, נורת'ווסטרן ועוד), מעבדות לאומיות וחברות הדוחפות את גבולות התחום. מספר חברות סטארט-אפ אמריקאיות, שלרוב צמחו ממעבדות אקדמיות, ממסחרות MOFs: NuMat Technologies (אילינוי) מתמקדת באחסון גזים ואפילו מכרה בלוני גז המצוידים ב-MOF (ה-ION-X) המאחסנים גזים רעילים לתעשיית המוליכים למחצה בצורה בטוחה יותר, בלחץ תת-אטמוספרי businesswire.com. NuMat גם מדווחת על כושר ייצור של כ-300 טון בשנה של MOFs במתקניה businesswire.com. Mosaic Materials בקליפורניה (שהוזכרה קודם ללכידת CO₂) ו-Transaera (מסצ'וסטס, לקירור) הן יוזמות אמריקאיות בולטות נוספות. ענקית התעשייה BASF בגרמניה הייתה מהראשונות להשקיע רבות ב-MOFs; היא הגדילה את ייצור ה-MOF בשנות ה-2010 (ייצור MOF מבוסס נחושת בכמויות של טונות) וכיום יש לה כושר ייצור של מאות טונות בשנה בלודוויגסהאפן businesswire.com. ה-MOF של BASF (נמכר תחת השם Basolite) אף משמש במוצרים מסחריים מסוימים, כמו זכוכית מבודדת חסכונית באנרגיה ומסננים כימיים. לאירופה יש רשת אקדמית חזקה בתחום ה-MOFs (למשל, האיחוד האירופי מארגן כנסים כמו EuroMOF), והאיחוד האירופי מימן פרויקטים כמו MOST-H2 (אחסון מימן) ו-AMADEUS (אחסון אמוניה עם MOFs) כדי להאיץ את המחקר היישומי.סין הפכה לתורמת פורה למדע ה-MOF בעשור האחרון. למעשה, לפי מדדי פרסומים, חוקרים סינים מהווים חלק גדול מהמאמרים והפטנטים החדשים בתחום ה-MOF – בתחומים החל מלכידת פחמן ועד להובלת תרופות. מחקר ביבליומטרי ציין כי "סין תרמה תרומות משמעותיות ומחזיקה בעמדה מובילה בתחום ה-MOFs במחקר הסרטן" pmc.ncbi.nlm.nih.gov, כדוגמה אחת. מוסדות סיניים מרכזיים כמו אוניברסיטת ג'ילין, אוניברסיטת ננקאי והאקדמיה הסינית למדעים מפעילים מרכזי MOF ייעודיים החוקרים הכל מ-סוללות מבוססות MOF ועד זרזים להמרת CO₂ לדלק. הדחיפה של ממשלת סין לנייטרליות פחמן עד 2060 הגבירה את העניין ב-MOFs לטכנולוגיות דה-פחמוניזציה. אמנם לסין עדיין אין הרבה סטארט-אפים בתחום ה-MOF המוכרים בעולם, אך יש לה שיתוף פעולה חזק בין התעשייה לאקדמיה. ראוי לציין כי סין מובילה ב-אחסון מתאן מבוסס MOF לכלי רכב (תחום שבו מיכלים מלאי סופחים עשויים לאפשר לכלי רכב על גז טבעי לאחסן יותר דלק בלחץ נמוך יותר) וחוקרת MOFs ללכידת פליטות תעשייתיות במסגרת תוכניות CCUS הלאומיות שלה.
אזורים נוספים פעילים גם הם: יפן ממשיכה לתרום (עם מחקר של חלוצים כמו קיטגאווה ועבודות חדשות על MOFs מוליכים), דרום קוריאה כוללת חברות כמו framergy (שמשתפת פעולה עם קבוצות בינלאומיות למסחור MOFs), ו-אוסטרליה היא בית ל-ARC Centre of Excellence in Exciton Science שבוחן MOFs לחישה ופוטו-קטליזה. במזרח התיכון, KAUST של ערב הסעודית הוא מרכז מחקר MOF (הם רשמו פטנטים על לכידת פחמן ב-MOF כפי שצוין) cas.org, ומדינות כמו איחוד האמירויות ו-קטאר מתעניינות ב-MOFs להתפלת מים והפרדת גזים, בהתאם לצרכיהן.
חשוב לציין, פיתוח MOF כבר אינו מוגבל למעבדה. מספר הפטנטים והמוצרים המסחריים נמצא בעלייה. ניתוח של Chemical Abstracts Service בסוף 2024 הדגיש שבעוד שמספר הפרסומים על MOF זינק, "הגידול בפרסומי פטנטים מרמז שמסחור רחב של הטכנולוגיה הזו קרוב." cas.org במיוחד, CAS זיהתה פעילות פטנטים משמעותית ביישומים הקשורים להפחתת פחמן (לכידת פחמן, אנרגיה, אגירת גז) וגם בתחומים כמו מים נקיים וחיישנים cas.org. הדבר מעיד שחברות ומכונים מגנים על חידושים מבוססי MOF כהכנה ליישום בעולם האמיתי. נכון ל-2024, רק מספר מצומצם של מוצרים מבוססי MOF עברו מסחור מלא businesswire.com – דוגמאות כוללות את מסנני ה-CO₂ של Svante, מיכלי הגז של NuMat, כמה מכשירי טיהור אוויר ייחודיים, וקו של אריזות בקרה על לחות מבוססות MOF. אך נראה שאנו נמצאים בנקודת מפנה. "שוק ה-MOF העולמי עובר כעת מעבר קריטי ממחקר אקדמי ליישום תעשייתי," מציין דוח של ResearchAndMarkets, הצופה שהענף יצמח בכ-30% בשנה מעתה ואילך businesswire.com. עד 2035, יישומי MOF עשויים להפוך לשוק של מיליארדי דולרים, במיוחד הודות ללכידת פחמן, אגירת מימן, הפקת מים והפרדות כימיות businesswire.com.
צד הייצור גם הוא מתרחב: כיום כ-50 חברות ברחבי העולם מייצרות MOFs, אם כי חלק גדול מהיכולת מרוכז אצל מספר שחקנים (כמו BASF ו-NuMat) businesswire.com. האתגרים העומדים בפניהם כוללים הגדלת הייצור מכמויות מעבדה של גרמים לטונות תעשייתיות תוך שמירה על איכות, ולעשות זאת בצורה חסכונית businesswire.com. באופן מעודד, נרשמת התקדמות – העלויות יורדות ככל שהטכניקות משתפרות, וחברות פיתחו שיטות ייצור רציפות (בניגוד לסינתזה באצוות איטיות) כדי לייצר MOFs בכמויות גדולות יותר businesswire.com. לדוגמה, Promethean Particles בבריטניה משתמשת בריאקטור זרימה כדי לייצר MOFs וננו-חומרים נוספים, ו-novoMOF בשווייץ מציעה ייצור MOF בהזמנה בקנה מידה גדול. התפתחויות אלו מרמזות שאם תיווצר דרישה גדולה (נניח, אלפי טונות ליחידות לכידת פחמן), צד ההיצע יהיה מוכן לעמוד בה.
שיתוף פעולה בינלאומי ניכר גם הוא: מדענים ממדינות שונות מרבים לחתום יחד על מאמרי MOF, ויש כנסים עולמיים (למשל MOF2023 במלבורן, MOF2024 בוונקובר) שמאחדים את הקהילה. הדבר מסייע להפיץ שיטות עבודה מומלצות ולמנוע כפילויות מאמץ, בהתחשב במרחב הכימי העצום של MOFs.
תחזית: מדוע MOFs חשובים לעתיד בר-קיימא
כפי שראינו, MOFs נמצאים בצומת של מדע חומרים מתקדם ופתרון בעיות בעולם האמיתי. לעיתים קרובות מתייחסים אליהם כאל "משני משחק" בתחום הקיימות, משום שהם מאפשרים תהליכים שבעבר לא היו ישימים או יעילים. לכידת פחמן היא דוגמה מובהקת – על ידי הפחתת צריכת האנרגיה הנדרשת לספיחת CO₂, MOFs עשויים לאפשר פריסה רחבה יותר של לכידת פחמן בתחנות כוח ומפעלי תעשייה, ובכך להפחית משמעותית את פליטות גזי החממה. אגירת אנרגיה נקייה היא דוגמה נוספת: MOFs עשויים סוף סוף להפוך את המימן (ואולי גם גזים נוספים כמו מתאן) לדלקים נקיים מעשיים על ידי פתרון בעיית האחסון. בתחום המים הנקיים, MOFs ממש יוצרים מים מהאוויר או מטהרים מים בזול, ובכך נותנים מענה למחסור ולזיהום ללא צורך בתשתיות גדולות. בתחום הבריאות, MOFs מביאים תקווה למתן תרופות ממוקד ולאבחון רגיש, מה שעשוי להציל חיים באמצעות טיפולים חכמים יותר. ובכל תחום הכימיה התעשייתית, MOFs מציעים תהליכי הפרדה וקטליזה יעילים יותר אנרגטית, מה שעשוי להקטין את טביעת הרגל הפחמנית של ייצור כימיקלים יומיומיים.
נדיר שמחלקת חומרים אחת משפיעה על כל כך הרבה תחומים – ולכן לעיתים קרובות משווים את MOFs ל"סיליקון הבא" או "הפלסטיק הבא" מבחינת פוטנציאל השינוי שלהם. הם מייצגים דרך חדשה לבנות חומרים מהיסוד בדיוק מרבי (מה שמקנה להם השוואה ללגו או טינקרטויס ברמה המולקולרית). גישה עיצובית רטיקולרית זו הייתה בעיקר תיאורטית לפני כמה עשורים; כיום היא ערכת כלים מעשית שמאומצת על ידי כימאים ומהנדסים ברחבי העולם.
מומחים סבורים שאנו על סף מעבר של MOFs מסקרנות מעבדתית לחומרי עבודה נפוצים בכל מקום המוטמעים בטכנולוגיות שונות. "עם כל היישומים הפוטנציאליים שלהם, MOFs מניעים פריצות דרך חשובות בכמה מהתחומים המדעיים המאתגרים ביותר שלנו," כתב אנליסט של ACS, והוסיף ששיפורים בבינה מלאכותית ולמידת מכונה מאיצים את הסריקה של MOFs, "מה שאומר שעוד התקדמויות ושימושים מסחריים עשויים להיות קרובים." cas.org לוח הזמנים לחדירת MOFs לשוק כבר מתקצר: בעוד שה-MOF הראשון נוצר ב-1995, לקח עד שנות ה-2020 להופעת השימושים המסחריים הראשונים, אך ייתכן שנראה עשרות מוצרים מבוססי MOF בשנים הקרובות. ענקיות תעשייה שמות לב – חברות נפט וגז בוחנות MOFs לעיבוד נקי יותר, חברות טכנולוגיה בוחנות MOFs למסנני אוויר במרכזי נתונים, וחברות רכב מתעניינות במכלי מימן מבוססי MOF ובסופחי CO₂ לאוויר בתא הנוסעים.
ברמה הגלובלית, התמיכה במחקר ובפריסה של MOF מתיישרת עם סדרי עדיפויות דחופים כמו פעולה אקלימית, פיתוח בר-קיימא וייצור מתקדם. ממשלות ומשקיעים מממנים סטארט-אפים ופרויקטי פיילוט בתחום ה-MOF, מתוך הכרה בכך שחומרים אלה עשויים להעניק למדינתם יתרון תחרותי בטכנולוגיה נקייה. בארה"ב ובאירופה, MOF מופיעים במפת הדרכים ללכידת פחמן ואחסון מימן. תוכניות החומש האחרונות של סין מדגישות חומרים חדשים וקיימות – תחומים שהם בדיוק בליבת היכולות של MOF. גם ארגונים בינלאומיים מעורבים: לדוגמה, לכידת פחמן מבוססת MOF הוצגה בכנסים האחרונים של CCUS decarbonfuse.com, ואיסוף מים באמצעות MOF סוקר בתקשורת כמו BBC ו-Scientific American, מה שמביא את תשומת הלב הציבורית לחדשנויות אלו.
כמובן, אתגרים עדיין קיימים. יש להמשיך ולשפר את עלויות הייצור והיכולת להרחבה (אם כי, כפי שצוין, מתרחש התקדמות משמעותית בתחום זה businesswire.com). יש להוכיח את היציבות ארוכת הטווח של MOF בתנאים אמיתיים (חשיפה לזיהומים, מחזוריות רבה) עבור כל מקרה לגופו. וכל יישום צריך להתמודד עם תחרות מטכנולוגיות אחרות (למשל, האם לכידת פחמן ב-MOF תוכל להתחרות במערכות ממס או ממברנה חדשות? האם אוספי מים ב-MOF יוכלו להתעלות על התפלה מסורתית בקנה מידה גדול?). על שאלות אלו תינתן תשובה בשנים הקרובות באמצעות פרויקטי הדגמה וניתוחים כלכליים. הסימנים הראשונים מעודדים: כאשר MOF מצטיינים, הם באמת מצטיינים – ומציעים יכולות שאין להן תחרות (למשל, אין חומר אחר שיכול ללכוד מים ביעילות כזו בלחות של 10%, או לאחסן כל כך הרבה מימן בצורה קלת משקל).
לסיכום, MOFs ממחישים את כוחו של החידוש הכימי להתמודדות עם אתגרים גלובליים. הם התחילו כסקרנות במעבדות כימיה והתפתחו לפלטפורמה עם פוטנציאל להפוך את התעשייה לנקייה יותר, את האנרגיה לברת קיימא יותר, ומשאבים כמו מים לנגישים יותר. המאמץ העולמי לפתח MOFs – מחברות הזנק אמריקאיות ועד אוניברסיטאות סיניות, מקונסורציומים מחקריים אירופיים ועד מעבדות במזרח התיכון – מדגיש אופטימיות משותפת כלפי חומרים אלו. כפי שנאמר בדוח אחד, MOFs "עוברים מסקרנות מדעית למציאות מסחרית", פותרים בעיות בלכידת פחמן, מים, אנרגיה ועוד businesswire.com. אם המגמות הנוכחיות יימשכו, ייתכן ש-MOFs יפעלו בקרוב בשקט מאחורי הקלעים בתחומים רבים של חיי היומיום, ויסייעו להגשים עולם ירוק ומתקדם יותר. בפעם הבאה שתשתה מים במדבר, תנהג ברכב מימן, או תנשום אוויר נקי יותר בעיר, ייתכן שמסגרת אורגנו-מתכתית היא חלק מהסיבה לכך.
מקורות: מחקרים עדכניים ופרשנות מומחים על MOFs נלקחו מכתבי עת מדעיים מובילים, הודעות לעיתונות של אוניברסיטאות ודוחות תעשייתיים, כולל Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, פרסומים של ACS acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.org cas.org, הודעות לעיתונות של Businesswire businesswire.com, CORDIS (האיחוד האירופי) cordis.europa.eu, וניתוחי שוק businesswire.com, בין היתר. מקורות אלה מדגישים את ההסכמה ש-MOFs הם פלטפורמה פורצת דרך במדעי החומרים, עם השפעה מעשית ההולכת וגדלה במהירות.
Boosting Carbon Capture with Ammonia-Activated MOFs
צפה בסרטון זה ביוטיוב.