Strutture Metallo-Organiche (MOF): Cristalli Simili a Spugne Pronti a Rivoluzionare la Cattura del Carbonio, l’Energia Pulita e Altro Ancora

Agosto 29, 2025
Metal-Organic Frameworks (MOFs): Sponge-Like Crystals Poised to Transform Carbon Capture, Clean Energy and More
Metal-Organic Frameworks - MOFs
  • I MOF detengono un record mondiale di superficie interna fino a circa 7.000 m^2 per grammo, con progetti teorici fino a 14.600 m^2/g.
  • In circa 20 anni i ricercatori hanno creato quasi 90.000 strutture MOF uniche, con centinaia di migliaia di altre previste dalla teoria.
  • I MOF sono reti cristalline porose costruite da nodi metallici e linker organici, formando un reticolo 3D modulabile che agisce come una spugna molecolare.
  • CALF-20, un MOF a base di zinco, può trattenere circa una tonnellata di CO2 al giorno per metro cubo in condizioni industriali.
  • ZnH-MFU-4l è un MOF rivoluzionario per la cattura di CO2 ad alta temperatura che lega selettivamente la CO2 dai gas di scarico caldi a circa 300 °C, catturando oltre il 90 percento della CO2.
  • DCF-1, lanciato da Decarbontek a metà 2025, è un MOF a basso costo realizzato con ossido di zinco e acido citrico, con un costo previsto di circa 10 dollari al chilogrammo su larga scala.
  • Svante sta testando un sistema assorbente MOF CALF-20 in un impianto di cemento in grado di catturare circa 1 tonnellata di CO2 al giorno.
  • MOF-303, un MOF per la raccolta d’acqua a base di alluminio, ha permesso nel 2023 l’uso di un raccoglitore portatile nella Death Valley che ha recuperato circa l’85–90% dell’acqua adsorbita, fornendo fino a 285 grammi per chilogrammo al giorno.
  • Il progetto EU MOST-H2, lanciato nel 2022, utilizza l’IA per selezionare MOF per lo stoccaggio di idrogeno; nel 2025 ha riportato progressi con oltre 10.000 strutture analizzate e prototipi che soddisfano gli obiettivi DOE in condizioni criogeniche.
  • MIL-101(Cr) può essere espanso nei pori da circa 2,5 nm a 5 nm tramite trattamento con acido acetico, consentendo un maggiore caricamento di ibuprofene e 5-fluorouracile e un rilascio più rapido.

Una rivoluzione nei materiali avanzati e nella sostenibilità

Immagina un materiale con così tanta superficie interna che un pizzico di esso contiene l’equivalente di sei campi da calcio di area news.berkeley.edu. Tali metal-organic frameworks (MOF) sono composti porosi e cristallini costituiti da nodi metallici collegati da leganti organici, creando reti simili a spugne su scala molecolare. Gli scienziati presentano i MOF come dotati di “possibilità apparentemente illimitate” per costruire strutture personalizzate con proprietà su misura cas.org. Negli ultimi 20 anni, la ricerca sui MOF è esplosa: sono state create quasi 90.000 strutture MOF uniche (con centinaia di migliaia di altre previste teoricamente) cas.org. Questo boom è guidato dalla promessa che i MOF possano affrontare sfide critiche nella sostenibilità e nella tecnologia. Dalla cattura dell’anidride carbonica che riscalda il clima e dallo stoccaggio di idrogeno pulito, fino alla somministrazione di farmaci e alla raccolta di acqua dall’aria del deserto, i MOF sono pronti a guidare innovazioni in settori che vanno dall’energia e ambiente alla biomedicina cas.orgcas.org. In questo report, spieghiamo cosa sono i MOF, come funzionano e vengono prodotti, e perché sono considerati rivoluzionari. Esploreremo le principali applicazioni – tra cui cattura del carbonio, stoccaggio di idrogeno, somministrazione di farmaci, sensori e raccolta di acqua – evidenziando recenti scoperte scientifiche, applicazioni reali e opinioni di esperti. Analizzando il panorama globale (USA, UE, Cina e oltre) e i più recenti progressi, vedremo perché i MOF sono considerati materiali rivoluzionari per un futuro più sostenibile.

Cosa sono i MOF? Cristalli porosi con superfici da record

I metal-organic frameworks (MOF) sono una classe insolita di materiali costruiti come dei Tinkertoy molecolari. Sono costituiti da ioni metallici o cluster che fungono da nodi, collegati tra loro da molecole organiche (ligandi) che fanno da puntelli. Questi componenti si autoassemblano in un reticolo cristallino aperto, simile a una gabbia – formando essenzialmente una rete porosa 3D tenuta insieme da legami di coordinazione cas.org. Il risultato è una spugna cristallina: i MOF hanno una porosità e una superficie estremamente elevate, il che significa che il loro interno è pieno di minuscole cavità e canali in cui possono entrare altre molecole. In effetti, i MOF detengono il record mondiale per superficie in un materiale – alcuni offrono fino a ~7.000 m^2 per grammo, con progetti teorici fino a 14.600 m^2/g cas.org. Per dare un’idea, basta un cucchiaio di un tipico MOF per avere un’area interna pari a quella di diversi campi da calcio, offrendo uno spazio abbondante per adsorbire gas o altre molecole news.berkeley.edu.

Questa vasta superficie interna e la struttura dei pori modulabile sono ciò che rende i MOF così speciali. Cambiando i nodi metallici o i linker organici, i chimici possono creare MOF diversi con dimensioni, forme e funzionalità chimiche dei pori su misura cas.org. Praticamente qualsiasi combinazione è possibile – uno dei pionieri del campo, il Professor Omar Yaghi (che ha sintetizzato i primi MOF negli anni ’90), ha osservato che sono stati realizzati decine di migliaia di MOF e “centinaia di migliaia in più” sono previsti dagli algoritmi cas.org. Questa strategia di progettazione modulare “reticolare” significa che gli scienziati possono sostanzialmente progettare materiali su ordinazione: ad esempio, un MOF può essere ingegnerizzato per preferire la cattura di molecole di CO₂, o per brillare in presenza di una tossina, semplicemente scegliendo i blocchi costitutivi appropriati. Il rovescio della medaglia di questa diversità è una sfida – con così tante strutture possibili, può essere difficile prevedere quale MOF funzionerà meglio per un determinato compito cas.org. (I ricercatori stanno sempre più utilizzando l’IA e il machine learning per setacciare i database di MOF e suggerire i candidati più promettenti, un aspetto che riprenderemo più avanti cas.org.)

In sintesi, un MOF è come una spugna ultra-fine o un’impalcatura su scala nanometrica. È composto da elementi inorganici e organici bloccati in un reticolo ripetibile, risultando in un materiale solido che è per lo più spazio vuoto. Quei pori vuoti possono ospitare molecole ospiti. Fondamentalmente, i MOF di solito rimangono robusti anche dopo che i loro “ospiti” solventi iniziali sono stati rimossi – l’impalcatura vuota rimane intatta e porosa, pronta a adsorbire nuove molecole e rilasciarle nelle giuste condizioni en.wikipedia.org. Questo assorbimento e rilascio reversibile è fondamentale per applicazioni che vanno dallo stoccaggio di gas alla somministrazione di farmaci. Come spiega il dottor Kurtis Carsch, chimico della UC Berkeley: “Come risultato delle loro strutture uniche, i MOF hanno un’alta densità di siti dove è possibile catturare e rilasciare CO₂ nelle condizioni appropriate” news.berkeley.edu – o allo stesso modo catturare e rilasciare altre molecole. In sostanza, i MOF offrono una combinazione senza precedenti di alta capacità (grazie all’enorme superficie), modulabilità (tramite progettazione chimica) e reversibilità, rendendoli una potente piattaforma nella scienza dei materiali.

Come vengono prodotti i MOF e come funzionano?

La sintesi di un MOF è spesso più semplice di quanto la sua struttura intricata possa suggerire. Tipicamente, gli scienziati dissolvono una fonte metallica (come un sale metallico) e una molecola organica “linker” in un solvente, poi favoriscono la formazione di cristalli tramite miscelazione lenta, calore o evaporazione. Gli ioni metallici e i linker si coordinano e cristallizzano spontaneamente in una struttura ordinata – facendo crescere un cristallo MOF proprio come il “rock candy” che precipita da una soluzione zuccherina, ma su scala molecolare. Molti MOF sono prodotti tramite metodi solvotermici (riscaldando gli ingredienti in un recipiente chiuso), anche se tecniche più recenti includono la sintesi assistita da microonde, l’essiccazione a spruzzo e persino la macinazione meccanochimica senza solvente. Ciò che è notevole è che i MOF possono spesso auto-assemblarsi in condizioni relativamente miti. Ad esempio, un recente MOF per la cattura del carbonio chiamato DCF-1 viene sintetizzato semplicemente mescolando ossido di zinco con acido citrico in acqua – un “metodo sicuro, sostenibile e in attesa di brevetto” che produce un MOF ad alte prestazioni a basso costo businesswire.com. Questo illustra come i ricercatori stiano migliorando i metodi di produzione per ridurre i costi ed evitare sostanze chimiche aggressive. I cristalli MOF possono variare da dimensioni nanometriche a millimetriche, e di solito vengono trasformati in polveri o formati in pellet e membrane per l’uso pratico.

Il funzionamento dei MOF si basa sull’adsorbimento e sulla selettività. I loro pori agiscono come piccoli armadietti di stoccaggio o trappole per molecole. Quando un MOF viene esposto a un gas o a un liquido, le molecole target possono entrare nei pori e aderire alle superfici interne (tramite forze di van der Waals, interazioni chimiche in siti specifici, ecc.). Poiché i MOF hanno una grande area interna e spesso gruppi chimici che legano determinate molecole, possono assorbire quantità sorprendenti. Ad esempio, un MOF (CALF-20, una struttura a base di zinco) può contenere circa una tonnellata di CO₂ al giorno per metro cubo di materiale in condizioni industriali businesswire.com – agendo essenzialmente come una gigantesca spugna per l’anidride carbonica. Tuttavia, l’adsorbimento è solitamente reversibile: cambiando le condizioni (riscaldando il MOF, abbassando la pressione o facendo passare un altro gas), le molecole intrappolate vengono rilasciate (desorbite) e il MOF viene rigenerato per un altro ciclo news.berkeley.edu. Questo ciclo di cattura e rilascio è fondamentale per applicazioni come la cattura del carbonio o lo stoccaggio di gas, dove il MOF deve essere riutilizzato molte volte. Nell’esempio della cattura della CO₂, una volta che il MOF è saturo di CO₂, “la CO₂ può essere rimossa abbassando la sua pressione parziale – sia facendo passare un gas diverso sia mettendo il sistema sotto vuoto. Il MOF è quindi pronto per essere riutilizzato in un altro ciclo di adsorbimento” news.berkeley.edu.

La chimica interna di ciascun MOF può essere regolata per preferire determinate molecole rispetto ad altre, rendendoli altamente selettivi. Alcuni MOF hanno siti metallici aperti o gruppi funzionali nei loro pori che agiscono come ganci per gas specifici. Altri sono decorati con molecole (come ammine o siti di rame) che reagiscono con un target (come la CO₂). Questa possibilità di regolazione è un grande vantaggio – a differenza dei materiali porosi tradizionali (ad es. carbone attivo o zeoliti) che hanno proprietà fisse, i MOF possono essere progettati su misura. “Le loro proprietà regolabili sono il fattore chiave,” osserva un rapporto CAS Insights, “l’elevata area superficiale e porosità, combinate con una chimica regolabile, conferiscono ai MOF la capacità di adsorbire gas e composti volatili, suscitando enorme interesse nella separazione e nello stoccaggio di gas, in particolare per la CO₂” cas.org. In breve, i MOF funzionano intrappolando selettivamente le molecole nei loro pori nanoscopici – un po’ come un setaccio o un filtro fatto di molecole – e possono poi rilasciare il carico quando vengono attivati. Questo semplice concetto è alla base della varietà di usi di cui parleremo, dalla rimozione della CO₂ dai gas di scarico, allo stoccaggio più denso di idrogeno come combustibile, fino al trasporto di molecole di farmaci nel flusso sanguigno.

Principali applicazioni dei MOF

Le uniche capacità uniche simili a una spugna dei MOF li rendono utili in una sorprendentemente ampia gamma di applicazioni. Di seguito esploriamo alcuni degli usi più impattanti attualmente perseguiti – insieme a recenti scoperte ed esempi in ciascun settore.

Cattura del carbonio e mitigazione del clima

Una delle applicazioni più urgenti per i MOF è la cattura dell’anidride carbonica dai gas di scarico delle centrali elettriche o anche direttamente dall’aria. Ridurre le emissioni di CO₂ è fondamentale per combattere il cambiamento climatico, e i MOF stanno emergendo come “tra i materiali più promettenti per la cattura del carbonio” perché possono assorbire CO₂ con maggiore efficienza e a un costo energetico inferiore rispetto ai metodi convenzionali ccarbon.info. La tecnologia tradizionale di cattura del carbonio utilizza soluzioni liquide di ammine per legare la CO₂, ma le ammine sono corrosive, richiedono molta energia per rigenerarsi e in genere funzionano solo a temperature relativamente basse (circa 40–60 °C). Tuttavia, molti gas di scarico industriali sono molto più caldi (i fumi di cementifici e acciaierie possono superare i 200–300 °C), rendendo la cattura del carbonio difficile e costosa perché i gas devono prima essere raffreddati news.berkeley.edu. I MOF offrono un potenziale salto in avanti: possono essere progettati per catturare la CO₂ anche in condizioni estreme, e poi rilasciarla con un modesto riscaldamento o cambiamenti di pressione, utilizzando complessivamente molta meno energia rispetto agli scrubber a base di ammine ccarbon.info.

Alla fine del 2024, i chimici della UC Berkeley hanno riportato una scoperta rivoluzionaria su un MOF che può catturare CO₂ dai gas di scarico caldi senza raffreddamento preventivo. Il materiale, noto come ZnH-MFU-4l, contiene siti di idruro di zinco all’interno dei suoi pori che legano fortemente la CO₂ ad alte temperature. “Abbiamo scoperto che un MOF può catturare anidride carbonica a temperature eccezionalmente elevate – temperature rilevanti per molti processi che emettono CO₂,” ha dichiarato il dottor Kurtis Carsch, co-primo autore dello studio. “Questa era una cosa che in precedenza non si riteneva possibile per un materiale poroso.” news.berkeley.edu In condizioni di scarico simulate, questo MOF è stato in grado di catturare selettivamente la CO₂ a circa 300 °C (tipico dei gas di scarico di cementifici/acciaierie) e di catturare oltre il 90% della CO₂ nel flusso (“deep carbon capture”), eguagliando le prestazioni delle ammine liquide news.berkeley.edu. Un funzionamento a temperature così elevate evita la necessità di spendere energia e acqua per raffreddare le emissioni news.berkeley.edu, rendendo potenzialmente possibile la cattura del carbonio per industrie “difficili da decarbonizzare” come acciaio e cemento. “Poiché l’entropia favorisce la presenza di molecole come la CO₂ in fase gassosa sempre di più con l’aumentare della temperatura, si pensava generalmente che fosse impossibile catturare tali molecole con un solido poroso a temperature superiori a 200 °C,” ha osservato il professor Jeffrey Long, che ha guidato la ricerca. “Questo lavoro dimostra che, con la giusta funzionalità… la cattura ad alta capacità della CO₂ può effettivamente essere realizzata a 300 °C.” news.berkeley.edu La scoperta apre una nuova strada progettuale (utilizzando siti di idruro metallico nei MOF) per i materiali di prossima generazione per la cattura del carbonio news.berkeley.edu.

I MOF stanno anche brillando in ruoli più convenzionali di cattura della CO₂. L’interesse da parte di startup e aziende è aumentato vertiginosamente: ExxonMobil ha depositato brevetti su tecnologie MOF per la cattura del carbonio cas.org, e ricercatori della KAUST in Arabia Saudita hanno brevettato MOF per la cattura della CO₂ e la separazione dei gas cas.org. Numerose startup stanno gareggiando per commercializzare filtri per CO₂ a base di MOF. Ad esempio, Nuada (una startup con sede nell’UE) sta esplorando sistemi MOF per aiutare i produttori di cemento a intrappolare la CO₂ dai gas di scarico cas.org. Un’altra azienda, Mosaic Materials, ha sviluppato un MOF funzionalizzato con ammine per la cattura della CO₂ così promettente che è stato acquisito dall’azienda di tecnologia energetica Baker Hughes nel 2022 per la fase di scale-up news.berkeley.edu. Il MOF di Mosaic è in fase di test in progetti pilota come alternativa alle ammine liquide, e persino per la cattura diretta della CO₂ dall’aria news.berkeley.edu.

Proprio a metà 2025, Decarbontek, Inc. ha annunciato che sta producendo commercialmente un adsorbente MOF per la cattura del carbonio. L’azienda ha lanciato DCF-1 (De-Carbon Framework-1), definendolo “un MOF rivoluzionario, a basso costo e ad alte prestazioni progettato per una cattura del carbonio su larga scala”, ora disponibile al chilogrammo su ccarbon.info. “Con il lancio di DCF-1, stiamo fissando un nuovo standard per i materiali di cattura del carbonio,” ha dichiarato il dott. Yong Ding, CEO di Decarbontek. “È conveniente, facile da produrre e altamente efficiente – rendendo la cattura del carbonio accessibile a tutti i settori.” businesswire.com DCF-1 può essere prodotto a basso costo (utilizzando ossido di zinco comune e acido citrico) e punta a costare solo circa 10 dollari al kg su larga scala, “paragonabile ai setacci molecolari comuni”, secondo Ding businesswire.com. Questo è significativo perché i MOF sono stati a lungo considerati troppo costosi per un uso su larga scala; un MOF a basso costo e facile da produrre potrebbe eliminare una delle principali barriere all’adozione ccarbon.info. Il materiale combina, secondo quanto riferito, un’elevata capacità di assorbimento di CO₂ con un processo produttivo non tossico e a base d’acqua, ideale per l’installazione su impianti industriali o persino per la cattura di CO₂ dall’aria businesswire.com. Il prodotto di Decarbontek e altri simili sottolineano come la tecnologia MOF stia passando dal laboratorio al mercato nel settore della cattura del carbonio.

Forse il segno più tangibile dei progressi si trova nei progetti pilota: Svante, un’azienda canadese, sta utilizzando un assorbente MOF (CALF-20, prodotto da BASF) in un sistema dimostrativo che cattura circa 1 tonnellata di CO₂ al giorno dai fumi di un cementificio businesswire.com. Questo test nel mondo reale dimostra che i MOF possono gestire flussi di gas industriali e funzionare effettivamente in condizioni operative. Sviluppi di questo tipo suggeriscono che i MOF potrebbero presto svolgere un ruolo chiave negli sforzi globali di Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS), aiutando le industrie a ridurre le emissioni di CO₂. Dato che la cattura del carbonio è fondamentale per mitigare il cambiamento climatico (soprattutto per i settori che non possono facilmente elettrificarsi), i MOF sono ampiamente considerati una scoperta “materiale miracoloso” per la decarbonizzazione news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Offrendo maggiore efficienza e minori penalità energetiche, la cattura del carbonio basata su MOF potrebbe consentire una più ampia adozione del CCUS – un ponte importante verso un futuro a zero emissioni nette mentre le energie rinnovabili si espandono. In sintesi, i MOF forniscono una nuova potente cassetta degli attrezzi per gestire la CO₂, dai camini delle fabbriche all’aria aperta, motivo per cui quest’area applicativa rimane il punto focale più caldo nella ricerca e commercializzazione dei MOF.

Stoccaggio dell’idrogeno ed energia pulita

Se i MOF possono aiutare a rimuovere il carbonio dai nostri attuali sistemi energetici, sono anche pronti a rendere possibili in futuro i vettori di energia pulita come l’idrogeno. L’idrogeno (H₂) è un promettente combustibile a zero emissioni di carbonio (brucia producendo solo acqua), ma immagazzinare l’idrogeno in modo efficiente è una grande sfida – l’H₂ è un gas a densità molto bassa, e comprimerlo o liquefarlo richiede molta energia e serbatoi pesanti. I MOF offrono un modo per immagazzinare l’idrogeno in una forma compatta e sicura tramite adsorbimento. In sostanza, il gas idrogeno può essere caricato nei pori di un MOF ad alta densità (soprattutto a basse temperature), come uova in una cassetta per uova, e poi rilasciato quando necessario. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e altri hanno fissato obiettivi per i materiali di stoccaggio dell’idrogeno (in termini di percentuale in peso e volume di H₂ immagazzinato), e alcuni MOF si sono avvicinati o hanno superato questi obiettivi a temperature criogeniche.

In Europa, è in corso uno sforzo concertato per sfruttare i MOF per l’immagazzinamento dell’idrogeno. Il progetto MOST-H2 finanziato dall’UE (lanciato nel 2022) sta sviluppando sistemi di immagazzinamento criosorbitivo dell’idrogeno utilizzando MOF avanzati cordis.europa.eu. Nella criosorbimento, il gas di idrogeno viene raffreddato (tipicamente alla temperatura dell’azoto liquido, ~77 K) e adsorbito su un materiale poroso, raggiungendo un’alta densità senza pressioni estreme. L’“arma segreta del progetto è una classe speciale di materiali cristallini porosi chiamati MOF,” che stanno modellando in adsorbenti MOF monolitici con una combinazione ottimale di capacità volumetrica e gravimetrica cordis.europa.eu. Nel 2025, i ricercatori di MOST-H2 hanno riportato “progressi significativi” – hanno combinato screening guidati dall’IA con esperimenti per identificare nuovi composti MOF che superano gli obiettivi ampiamente accettati sia per la capacità di immagazzinamento gravimetrica che volumetrica dell’idrogeno cordis.europa.eu. Questi progressi sono stati tutelati tramite domande di brevetto cordis.europa.eu, a testimonianza della loro novità. In pratica, i prototipi MOF del team possono immagazzinare idrogeno in modo denso in condizioni criogeniche, in materiali che sono facili e sicuri da maneggiare (senza pressioni estremamente elevate) e hanno una “impronta ambientale molto ridotta” cordis.europa.eu. L’obiettivo finale è integrare questi MOF in una soluzione completa di “lab-to-tank” per l’immagazzinamento dell’idrogeno per applicazioni come i veicoli alimentati a idrogeno (il progetto sta esplorando casi studio per treni a idrogeno in Austria e Italia) cordis.europa.eu.Un aspetto notevole di questo sforzo è l’uso del machine learning per accelerare la scoperta. Il progetto MOST-H2 ha sviluppato uno strumento di intelligenza artificiale per prevedere quali strutture MOF sarebbero ottimali per l’assorbimento dell’idrogeno, creando un “robusto database di materiali ad alte prestazioni” e dimostrando come i metodi computazionali possano rimodellare lo sviluppo dei MOF cordis.europa.eu. Analizzando virtualmente oltre 10.000 strutture MOF e poi testando in laboratorio i migliori candidati, il team è riuscito a identificare diversi materiali di punta che ha prontamente brevettato cordis.europa.eu. Questo approccio riduce notevolmente il tipico processo di tentativi ed errori nella R&S dei materiali. Di conseguenza, i MOF del progetto sono sulla buona strada per raggiungere o superare i rigorosi obiettivi di stoccaggio richiesti per serbatoi di carburante pratici, rimanendo al contempo economici e stabili per molti cicli cordis.europa.eu. Il design del serbatoio a base di MOF viene inoltre ottimizzato con modelli avanzati di trasferimento di calore e massa e analisi del ciclo di vita, per garantire che possa essere scalato e integrato in veicoli reali cordis.europa.eu.

Oltre a questo progetto, altri ricercatori hanno dimostrato MOF capaci di un notevole assorbimento di idrogeno. Ad esempio, MOF-74 (un framework ben noto) può assorbire più idrogeno di qualsiasi serbatoio non pressurizzato a 77 K, indicando il potenziale dei MOF per eliminare il collo di bottiglia nello stoccaggio dell’idrogeno innovations-report.com. La strategia generale è operare vicino a temperature criogeniche – che potrebbe sembrare ad alta intensità energetica, ma tecniche come un isolamento intelligente o l’uso del raffreddamento “gratuito” dal boil-off dell’idrogeno liquido possono renderlo praticabile. Il vantaggio sarebbe serbatoi di idrogeno leggeri e ad alta capacità per auto, autobus o aerei a celle a combustibile che non richiedono compressione a 700 bar o serbatoi estremamente pesanti. Tali serbatoi potrebbero essere “batterie” di idrogeno allo stato solido, dove i granuli di MOF trattengono l’idrogeno in modo sicuro a pressioni moderate. I ricercatori stanno anche esplorando i MOF per lo stoccaggio di idrogeno a temperatura ambiente, anche se nessun materiale soddisfa ancora tutti gli obiettivi DOE a condizioni ambientali.

In sintesi, i MOF sono all’avanguardia nella soluzione del dilemma dello stoccaggio dell’idrogeno. Agiscono come nano-spugne che impacchettano densamente le molecole di idrogeno tramite adsorbimento, permettendo a più idrogeno di entrare in un dato volume a una data pressione. Gli attuali MOF abbinati al raffreddamento criogenico hanno mostrato capacità da record – superando in alcuni casi ciò che l’idrogeno liquido può raggiungere per volume – il che potrebbe consentire ai veicoli alimentati a idrogeno di percorrere distanze maggiori con un pieno e di fare rifornimento più rapidamente. Con l’interesse globale per l’idrogeno come vettore energetico pulito (per trasporti, accumulo di rete e industria), progressi come i serbatoi a base di MOF sono fondamentali. Il fatto che vengano depositati brevetti e finanziati progetti pluriennali nell’UE e altrove segnala fiducia che i MOF giocheranno un ruolo chiave nella economia dell’idrogeno. Come afferma un rapporto dell’UE, questi materiali innovativi promettono “soluzioni di stoccaggio dell’idrogeno economiche, efficienti e rispettose dell’ambiente” per gli obiettivi climatici europei cordis.europa.eu – un’affermazione che risuona a livello mondiale mentre le nazioni investono nelle infrastrutture per l’H₂.

Somministrazione di farmaci e applicazioni biomediche

I MOF non sono solo per energia e ambiente – stanno anche facendo scalpore nella biomedicina come nuovi sistemi di somministrazione di farmaci e agenti di imaging. Nel contesto farmaceutico, i MOF possono agire come vettori su scala nanometrica per molecole terapeutiche. L’idea è che un farmaco (che può essere una piccola molecola, una proteina o anche un acido nucleico) possa essere caricato nei pori del MOF e poi trasportato attraverso il corpo, protetto dalla gabbia del MOF. La struttura porosa può talvolta proteggere il farmaco da una degradazione prematura, indirizzarne il rilascio in una posizione specifica, o consentire un rilascio lento e controllato nel tempo. I MOF possono persino essere progettati per rispondere a stimoli (come pH o luce) per innescare il rilascio del farmaco su comando jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Questa è un’area di ricerca in forte espansione nella nanomedicina.

Un vantaggio dei MOF è la loro alta capacità di carico – grazie alla loro enorme superficie, possono trasportare una grande quantità di farmaco rispetto al loro peso. Inoltre, molti MOF possono essere realizzati con componenti biocompatibili (ad esempio nodi di zinco o ferro con acidi organici commestibili), il che significa che possono degradarsi in sottoprodotti non tossici nel corpo cas.org. In effetti, alcuni MOF sono bio-compatibili e biodegradabili, il che li rende interessanti per l’uso negli organismi viventi cas.org. I ricercatori hanno coniato il termine “nano-MOF” per particelle di MOF molto piccole (tipicamente 50–200 nanometri) progettate per la iniezione nel flusso sanguigno o la consegna cellulare axial.acs.org. Diversi di questi nano-MOF sono arrivati a studi clinici per la terapia del cancro axial.acs.org – ad esempio, come vettori per farmaci chemioterapici o per potenziare il trattamento con radiazioni. Questo dimostra il reale potenziale dei MOF come piattaforma in medicina.

Uno studio recente del 2024 ha dimostrato come una semplice modifica chimica possa migliorare le prestazioni di un MOF nella somministrazione di farmaci. Gli scienziati dell’Università di Miami hanno preso un MOF ben noto chiamato MIL-101(Cr) (una struttura a base di cromo con grandi pori) e lo hanno effettivamente “gonfiato” tramite un passaggio di sintesi aggiuntivo acs.org. Hanno trattato i cristalli di MOF con un po’ di acido acetico (simile all’aceto) per espandere la dimensione dei pori da circa 2,5 nm a 5 nm, aumentando la superficie interna acs.org. Queste particelle di MOF “a pori espansi” sono state poi caricate con due farmaci modello – ibuprofene (un antinfiammatorio) e 5-fluorouracile (un farmaco chemioterapico) – per testare la capacità e la cinetica di rilascio. I risultati sono stati sorprendenti: “I MOF gonfiati contenevano più ibuprofene o farmaco chemioterapico rispetto alla versione originale e mostravano prestazioni migliorate come potenziale veicolo per la somministrazione di farmaci.” acs.org Poiché i pori erano più grandi, più molecole di farmaco potevano entrare all’interno, e infatti il MOF modificato ha assorbito una quantità maggiore di entrambi i farmaci rispetto al MIL-101 non modificato acs.org. Inoltre, negli esperimenti di rilascio, il MOF a pori espansi ha rilasciato i farmaci in modo sostanzialmente più rapido rispetto all’originale, grazie alle aperture più ampie che agiscono come grandi “porte” per l’uscita delle molecole acs.org. Un rilascio più rapido potrebbe essere vantaggioso per raggiungere rapidamente livelli terapeutici, mentre un rilascio lento e controllato potrebbe essere ottenuto con altre modifiche. I ricercatori vedono questo semplice metodo di lavaggio acido come un modo per regolare i profili di rilascio dei MOF a seconda delle esigenze acs.org. Come osservano, “cambiamenti semplici come questi potrebbero massimizzare l’efficacia dei MOF nelle future applicazioni di somministrazione di farmaci”, e sono in corso studi su come ottenere un rilascio lento e sostenuto in intervalli di tempo specifici modificando le strutture dei pori acs.org.

Questo è solo un esempio tra molti. Altri studi hanno dimostrato che i MOF possono trasportare combinazioni di farmaci, proteggere biomolecole delicate come proteine o RNA, e persino facilitare la consegna mirata ai tumori (attaccando ligandi di targeting al MOF). Poiché è possibile combinare diversi centri metallici, i ricercatori hanno scoperto che la scelta del metallo può influenzare i tassi di rilascio – ad esempio, uno studio ha rilevato che i MOF realizzati con magnesio rilasciavano un farmaco di prova più rapidamente rispetto a quelli con zirconio, suggerendo che nodi metallici più solubili portano a una degradazione più rapida della struttura e al rilascio del farmaco axial.acs.org. Queste intuizioni stanno guidando la progettazione di MOF per il rilascio di farmaci “on-demand” e la teranostica (terapia + diagnostica). In particolare, i MOF possono anche fungere da agenti di contrasto o sonde di imaging; alcuni incorporano lantanidi luminescenti o isotopi radioattivi per il tracciamento, e altri migliorano i segnali della risonanza magnetica. Le proprietà luminescenti di alcuni MOF hanno persino permesso la creazione di biosensori in grado di rilevare biomarcatori o tossine ambientali tramite una variazione di fluorescenza cas.org – sfumando il confine tra rilascio di farmaci e rilevamento.

Fondamentalmente, i primi studi sulla sicurezza indicano che i MOF opportunamente formulati possono essere non tossici e biodegradabili nell’organismo cas.org. Ad esempio, i MOF a base di ferro o zinco con linker di grado alimentare possono degradarsi in nutrienti o essere escreti. Questa biocompatibilità, combinata con l’elevata capacità di carico e versatilità, ha portato gli esperti a definire i MOF come una “nuova promettente classe di vettori intelligenti per farmaci” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Sebbene nessun farmaco a base di MOF sia ancora arrivato sul mercato, gli studi clinici in corso suggeriscono che sia solo questione di tempo. Nel prossimo futuro, nanoparticelle di MOF potrebbero consegnare la chemioterapia più direttamente alle cellule tumorali, riducendo gli effetti collaterali, o agire come “nano-antidoti” che assorbono sostanze tossiche nell’organismo. La ricerca è in forte crescita – una review ha contato dozzine di sistemi di rilascio di farmaci basati su MOF per cancro, HIV, diabete e altro ancora in fase di studio pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Se questi sforzi avranno successo, i MOF potrebbero inaugurare una nuova era della medicina di precisione, in cui il trattamento non riguarda solo la molecola del farmaco, ma anche il veicolo intelligente che la trasporta.

Sensori e Rilevamento

Grazie alla loro chimica modulabile e spesso alla luminescenza intrinseca, i MOF sono emersi come potenti componenti nei sensori chimici. Un piccolo cambiamento nella struttura di un MOF – ad esempio, il legame di una molecola ospite o il trasferimento di un elettrone – può tradursi in un segnale ottico o elettrico rilevabile. Questo rende i MOF eccellenti per rilevare composti in tracce nell’ambiente, negli alimenti o persino nel corpo umano. I ricercatori hanno creato sensori a base di MOF per una vasta gamma di bersagli: ioni di metalli pesanti, esplosivi (come i vapori di TNT), gas industriali pericolosi e biomarcatori di malattie, solo per citarne alcuni sciencedirect.com, pubs.rsc.org.

Un approccio molto diffuso è quello dei MOF luminescenti (spesso chiamati LMOF). Questi sono MOF che o fluorescono o fosforescono naturalmente, oppure sono drogati con molecole/ioni metallici fluorescenti. Quando un analita target entra nei pori del MOF, può causare una variazione della luminescenza – magari spegnendola, aumentandola o cambiandone il colore. Ad esempio, alcuni MOF contenenti metalli delle terre rare emettono un segnale luminoso intenso che può essere spento selettivamente da specifiche sostanze chimiche, permettendo la rilevazione di queste ultime a concentrazioni molto basse pubs.rsc.org. Esistono MOF che agiscono come sensori “turn-on” per ioni metallici come l’alluminio (si illuminano solo quando l’ione si lega) pubs.acs.org, oppure come sensori che cambiano colore per pH o ossigeno. Poiché i MOF hanno una struttura modulare, i progettisti di sensori possono incorporare siti di riconoscimento direttamente nella struttura. Immagina un MOF che abbia tasche di legame perfettamente dimensionate per una molecola inquinante – quando l’inquinante viene catturato, innesca un trasferimento di elettroni o di energia che fa affievolire o cambiare colore alla fluorescenza del MOF. Una tale specificità è molto apprezzata nella rilevazione.

Un vantaggio chiave dei sensori MOF è che possono essere resi altamente sensibili e selettivi pur rimanendo stabili. I MOF possono spesso operare in ambienti diversi (alcuni sono stabili in acqua, per il rilevamento in ambiente acquatico). I ricercatori hanno persino sviluppato sensori a base di MOF in grado di rilevare biomarcatori in fluidi complessi come urina o sangue, filtrando e catturando il target in un solo passaggio sciencedirect.com. Un altro filone entusiasmante è quello dei sensori MOF elettrochimici: MOF conduttivi o compositi possono generare una risposta di corrente elettrica quando un gas o un vapore viene adsorbito, agendo come una nuova sorta di “naso elettronico” orcasia.org.

È importante sottolineare che molti MOF sono realizzati con componenti relativamente innocui, quindi il loro utilizzo in sensori per il consumatore o biomedici è fattibile. Un analista CAS ha osservato che i MOF possono essere ottimi come biosensori perché alcuni sono “a bassa tossicità e biodegradabili”, specialmente quelli utilizzati nel rilevamento basato sulla luminescenza cas.org. Questo significa che una sonda rivestita di MOF potrebbe un giorno essere utilizzata in vivo (all’interno del corpo) per monitorare condizioni, oppure particelle di MOF potrebbero far parte di un test diagnostico che si dissolve in sicurezza dopo l’uso. Già ora, i sensori MOF sono stati testati per cose come metalli pesanti tossici nell’acqua (con il MOF che emette fluorescenza in presenza di mercurio o piombo) pubs.acs.org, contaminanti alimentari (pesticidi o antibiotici che causano una variazione dell’emissione del MOF) sciencedirect.com, e persino come sensori indossabili per l’analisi del respiro.

Un esempio in fase di sviluppo è un array di sensori a base di MOF per il rilevamento di esplosivi e agenti di guerra chimica. Utilizzando molteplici MOF, ciascuno sintonizzato per rispondere a diverse forme chimiche, un array può produrre un’impronta unica per una determinata sostanza (simile a come il nostro naso distingue gli odori). Un altro esempio: i ricercatori hanno creato un sensore MOF luminescente che può segnalare rapidamente la presenza di cibo avariato rilevando vapori di ammine dalla degradazione della carne, fornendo un cambiamento di colore come indicatore sciencedirect.com. Queste soluzioni creative mostrano come i MOF possano contribuire alla salute e alla sicurezza pubblica.

In breve, i MOF offrono alta sensibilità, personalizzabilità e stabilità alla tecnologia dei sensori. In alcuni casi possono rilevare molecole a livelli di parti per miliardo, e la loro risposta può essere progettata per essere facilmente leggibile (un cambiamento di colore visibile a occhio nudo, o una variazione di corrente/tensione per la lettura elettronica). Poiché gli standard per il monitoraggio ambientale e la sicurezza alimentare diventano più severi, i sensori MOF potrebbero trovare un uso diffuso grazie alla loro combinazione di precisione e praticità. Il fatto che i MOF possano essere realizzati in film sottili o polveri che rivestono i dispositivi significa che l’integrazione nell’hardware dei sensori è piuttosto fattibile. Aziende e laboratori di ricerca in tutto il mondo stanno attivamente brevettando progetti di sensori MOF cas.orgcas.org, il che indica che potremmo presto vedere prodotti commerciali che sfruttano la tecnologia MOF – dai sensori intelligenti da cucina che rilevano il deterioramento, ai rilevatori portatili per la qualità dell’aria e le minacce alla sicurezza. Questo è un settore vivace in cui chimica e ingegneria si incontrano, e i MOF sono all’avanguardia nel rendere il nostro mondo più rilevabile e misurabile nei minimi dettagli.

Raccolta dell’acqua e tecnologie per l’acqua pulita

Forse una delle applicazioni dei MOF che suona più futuristica – eppure già dimostrata nella realtà – è estrarre acqua potabile dall’aria sottile. Il recupero di acqua atmosferica è una tecnologia che mira a estrarre umidità dall’aria (anche in climi desertici aridi) per fornire acqua fresca. I deumidificatori tradizionali o le reti per la raccolta della nebbia richiedono aria relativamente umida o molta energia. Ma i MOF hanno dimostrato la capacità di catturare acqua da aria estremamente secca (fino al 10–20% di umidità relativa) e poi rilasciarla con un input energetico minimo, rendendoli ideali per generatori d’acqua off-grid in regioni colpite dalla siccità.

Il concetto è stato introdotto dal Professor Omar Yaghi (l’inventore dei MOF) e dai suoi colleghi. Nel 2017 hanno riportato per la prima volta un MOF (MOF-801) in grado di raccogliere acqua dall’aria del deserto usando solo la luce solare come energia. Avanti veloce al 2023, e la tecnologia ha fatto passi da gigante. I ricercatori della UC Berkeley hanno presentato un dispositivo portatile per la raccolta dell’acqua che utilizza MOF, testato nella Death Valley – uno dei luoghi più secchi e caldi della Terra. Il dispositivo, grande circa come uno zaino piccolo e alimentato interamente dalla luce solare ambientale, ha funzionato ciclicamente per catturare acqua di notte e rilasciarla come liquido di giorno. “Questi test hanno dimostrato che il dispositivo può fornire acqua pulita ovunque,” ha riportato il team, definendolo una soluzione urgente poiché “il cambiamento climatico aggrava le condizioni di siccità.” cdss.berkeley.edu Il raccoglitore a base di MOF è stato in grado di estrarre umidità dall’aria con solo il 10% di umidità e produrre fino a 285 grammi di acqua per chilogrammo di MOF al giorno sul campo cdss.berkeley.edu. (~285 g corrispondono a circa una tazza d’acqua; i test di laboratorio in condizioni ideali producono anche di più.) In modo impressionante, lo ha fatto utilizzando nessuna energia esterna oltre alla luce solare, il che significa zero emissioni di gas serra o elettricità necessaria cdss.berkeley.edu. Questo è possibile perché il MOF prima adsorbe il vapore acqueo dall’aria fresca notturna; poi il sole diurno riscalda il MOF, facendogli rilasciare l’acqua come vapore che viene condensato in liquido in un collettore. Il MOF può funzionare per molti cicli senza perdita di prestazioni e può essere rigenerato semplicemente asciugandolo, rendendolo una spugna d’acqua robusta per un uso a lungo termine cdss.berkeley.edu.

Il MOF utilizzato nell’ultimo dispositivo è una struttura a base di alluminio (chiamata MOF-303) che ha una forte affinità per l’acqua ma la rilascia anche a temperature moderate (~80 °C). Questo MOF è stato scelto per le sue prestazioni eccezionali: può estrarre acqua anche in condizioni estremamente aride ed è stabile per migliaia di cicli businesswire.com. Infatti, il MOF-303 è stato testato con successo nella Death Valley, validando il suo utilizzo pratico in ambienti estremi businesswire.com. Durante i test, il dispositivo ha raggiunto un recupero d’acqua di circa l’85–90% dell’acqua adsorbita in ogni ciclo cdss.berkeley.edu, il che significa che pochissima dell’umidità catturata è andata persa. Il Dr. Yaghi, che ha guidato lo studio pubblicato su Nature Water (luglio 2023), ha sottolineato l’importanza della questione: “Quasi un terzo della popolazione mondiale vive in regioni soggette a stress idrico. L’ONU prevede che entro il 2050 quasi 5 miliardi di persone sperimenteranno stress idrico… Questo è molto rilevante per sfruttare una nuova fonte d’acqua.” cdss.berkeley.edu Sfruttando il grande serbatoio d’acqua presente nell’atmosfera (anche i deserti hanno un po’ di umidità nell’aria), i dispositivi MOF offrono una nuova fonte d’acqua allettante, decentralizzata e sostenibile. A differenza dei grandi impianti di desalinizzazione (che richiedono elettricità e acqua di mare), un estrattore MOF può essere un dispositivo personale o per un villaggio che funziona ovunque ci siano aria e luce solare.

Sono ora in corso sforzi commerciali per aumentare la scala dei dispositivi di raccolta d’acqua basati su MOF. Diverse startup, spesso in collaborazione con università, stanno portando avanti la tecnologia. Secondo un recente rapporto di mercato, aziende come Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule e Transaera stanno sfruttando le superiori proprietà di adsorbimento dell’acqua dei MOF per costruire sistemi di raffreddamento e di produzione d’acqua di nuova generazione businesswire.com. Questi sistemi, secondo quanto riportato, possono generare fino a 0,7 litri d’acqua per chilogrammo di MOF al giorno anche in condizioni aride businesswire.com – circa il doppio della resa dei prototipi iniziali – grazie a materiali e design migliorati. Transaera, ad esempio, sta integrando i MOF in condizionatori d’aria ultra efficienti che non solo raffreddano l’aria ma raccolgono anche acqua come bonus (Transaera è stata finalista al Global Cooling Prize). Un altro progetto di AQUAml (associato al MIT) utilizza i MOF per borracce personali che si riempiono dall’umidità dell’aria. Il fatto che i MOF possano funzionare a bassa umidità significa anche che possono essere usati per la deumidificazione passiva nei sistemi HVAC, rendendo il raffreddamento più efficiente asciugando l’aria senza bobine di condensazione cas.org.

Il dispositivo di raccolta d’acqua a MOF è un esempio perfetto di come questi materiali possano rispondere a bisogni umanitari e all’adattamento climatico. Nelle aree con fonti d’acqua contaminate, i dispositivi MOF potrebbero fornire acqua potabile sicura con infrastrutture minime. Inoltre, sono modulari – si possono distribuire centinaia di unità MOF per supportare una comunità, o una singola unità per una famiglia. I ricercatori immaginano persino borracce auto-riempienti per escursionisti e generatori d’acqua per truppe sul campo, tutti alimentati da MOF e luce solare. Sebbene il costo e la produzione su larga scala siano le prossime sfide, i progressi finora sono estremamente promettenti. Come ha scherzato un articolo, i MOF che permettono dispositivi per estrarre acqua dall’aria fanno sembrare che si tratti di “chimica al confine con la magia”, trasformando qualcosa di impalpabile come l’aria in una delle risorse più essenziali della vita. Con i cambiamenti climatici che rendono le siccità più frequenti, tali tecnologie potrebbero essere rivoluzionarie per la sicurezza idrica e una fonte d’ispirazione per l’applicazione dei materiali avanzati a beneficio della società.

Altri usi emergenti (catalisi, batterie e altro)

Oltre alle applicazioni principali sopra menzionate, i MOF stanno dimostrando la loro versatilità in molti altri campi. La loro elevata area superficiale, la possibilità di essere modificati e la capacità di incorporare metalli attivi o gruppi funzionali li rendono ideali per la catalisi – accelerando le reazioni chimiche. I MOF possono fungere da catalizzatori essi stessi o come precursori di materiali catalitici. Ad esempio, i MOF con siti metallici aperti sono stati utilizzati per catalizzare la conversione della CO₂ in combustibili, e materiali derivati dai MOF (come strutture carboniose che mantengono il metallo di un MOF) hanno mostrato prestazioni eccellenti in elettrocatalisi (ad es. per la riduzione dell’ossigeno nelle celle a combustibile) cas.org. Uno studio ha rilevato che nanotubi di carbonio drogati con azoto derivati da un MOF avevano “attività elettrocatalitica e stabilità migliorate” per l’elettrolisi dell’acqua rispetto ai catalizzatori standard cas.org. La possibilità di progettare la struttura atomica di un catalizzatore tramite i MOF (a volte chiamata “nano-casting”) è molto interessante nella chimica verde e nei processi industriali.

I MOF sono anche oggetto di studio nei dispositivi di accumulo di energia. I ricercatori stanno testando i MOF come materiali per elettrodi nelle batterie agli ioni di litio, dove la struttura porosa può ospitare ioni di litio e potenzialmente migliorare la capacità o la velocità di ricarica cas.org. Alcuni MOF (o loro derivati) sono stati studiati come materiali per supercondensatori per l’accumulo rapido di energia cas.org. Sebbene la maggior parte dei MOF sia isolante, è emersa una nuova sottoclasse di MOF conduttivi, che possono trasportare elettroni e potrebbero essere utilizzati in elettronica o sensori. Esistono persino MOF con proprietà magnetiche o ferroelettriche intrinseche che vengono studiati per dispositivi funzionali avanzati.

Un altro settore in cui si osserva innovazione con i MOF è la separazione e purificazione dei gas nell’industria chimica. Abbiamo accennato alla cattura del carbonio, ma i MOF possono anche essere utilizzati per altre separazioni difficili – ad esempio, isolare il propilene dal propano (un passaggio fondamentale nella produzione di materie plastiche) o rimuovere impurità dal gas naturale. Aziende come UniSieve hanno sviluppato membrane a base di MOF che agiscono come setacci molecolari, ottenendo separazioni ad alta efficienza energetica. In un caso, una membrana MOF è stata in grado di separare il propilene con una purezza del 99,5% dal propano businesswire.com, offrendo una potenziale alternativa a basso consumo energetico alla distillazione (che normalmente richiede enormi quantità di energia per tali separazioni). Allo stesso modo, i filtri MOF sono oggetto di studio per il riciclo dei refrigeranti, la purificazione di solventi industriali, e persino la bonifica di rifiuti nucleari (intrappolando iodio o xeno radioattivi).

Nel campo dell’elettronica e dei sensori, i ricercatori hanno realizzato film sottili a base di MOF selettivi per determinati gas, potenzialmente per creare nuovi tipi di sensori di gas o persino membrane per celle a combustibile. La bonifica ambientale è un altro settore di nicchia: i MOF possono catturare inquinanti come i PFAS (“sostanze chimiche eterne”) dall’acqua grazie alla loro adsorbimento modulabile, e alcuni MOF fotocatalitici possono degradare inquinanti organici sotto la luce.

Infine, i MOF hanno alcuni usi potenziali curiosi ma intriganti: che ne dite di tessuti MOF che assorbono odori o agenti chimici (per abbigliamento protettivo)? Oppure rivestimenti MOF nei frigoriferi per assorbire l’etilene e mantenere il cibo più fresco? Tutte queste idee sono in fase di sperimentazione. In sintesi, i MOF rappresentano un materiale piattaforma: proprio come i polimeri o il silicio hanno trovato innumerevoli applicazioni, i MOF sono un coltellino svizzero nel mondo dei materiali. Come ha affermato un’analisi di mercato, “Le eccezionali proprietà dei MOF – tra cui superfici specifiche da record, pori modulabili e chimica personalizzabile – stanno consentendo soluzioni ad alcune delle sfide più urgenti della società.” businesswire.com Dall’aria e acqua pulite all’energia pulita e alla salute, i MOF lasciano la loro impronta su una vasta gamma di innovazioni.

Panorama globale: ricerca, brevetti e commercializzazione nel mondo

L’entusiasmo intorno ai MOF è davvero globale. Dopo le scoperte iniziali negli Stati Uniti (il lavoro del Professor Yaghi presso UC Berkeley e UCLA) e in Giappone (le scoperte indipendenti sui MOF del Professor Susumu Kitagawa a Kyoto), la ricerca si è rapidamente diffusa in Nord America, Europa, Asia e oltre. Gli Stati Uniti restano una potenza nell’innovazione sui MOF, con università leader (Berkeley, MIT, Northwestern, ecc.), laboratori nazionali e aziende che spingono i confini della ricerca. Diverse startup statunitensi, spesso nate da laboratori accademici, stanno commercializzando i MOF: NuMat Technologies (Illinois) si concentra sull’immagazzinamento di gas e ha persino venduto bombole di gas dotate di MOF (le ION-X) che immagazzinano gas tossici per l’industria dei semiconduttori in modo più sicuro, a pressione sub-atmosferica businesswire.com. NuMat riporta anche una capacità produttiva di circa 300 tonnellate/anno di MOF nei suoi impianti businesswire.com. Mosaic Materials in California (già menzionata per la cattura di CO₂) e Transaera (Massachusetts, per il raffrescamento) sono altre iniziative statunitensi degne di nota. Il gigante industriale BASF in Germania è stato uno dei primi a investire pesantemente nei MOF; ha aumentato la produzione di MOF negli anni 2010 (producendo un MOF a base di rame in quantità di tonnellate) e ora ha una capacità annua di diverse centinaia di tonnellate a Ludwigshafen businesswire.com. Il MOF di BASF (venduto con il nome Basolite) è persino utilizzato in alcuni prodotti commerciali, come vetri isolanti ad alta efficienza energetica e filtri chimici. L’Europa vanta una solida rete accademica sui MOF (ad esempio, l’UE organizza conferenze come EuroMOF) e l’Unione Europea ha finanziato progetti come MOST-H2 (immagazzinamento di idrogeno) e AMADEUS (immagazzinamento di ammoniaca con MOF) per accelerare la ricerca applicata.

La Cina è emersa come un prolifico contributore alla scienza dei MOF nell’ultimo decennio. Infatti, secondo le metriche di pubblicazione, i ricercatori cinesi rappresentano una grande parte dei nuovi articoli e brevetti sui MOF – in settori che vanno dalla cattura del carbonio al rilascio di farmaci. Uno studio bibliometrico ha osservato che “la Cina ha dato contributi significativi e detiene una posizione di leadership nei MOF nella ricerca sul cancro” pmc.ncbi.nlm.nih.gov, per fare un esempio. Importanti istituzioni cinesi come la Jilin University, la Nankai University e l’Accademia Cinese delle Scienze hanno centri dedicati ai MOF che esplorano tutto, dalle batterie basate su MOF ai catalizzatori per la conversione di CO₂ in carburante. L’impegno del governo cinese per la neutralità carbonica entro il 2060 ha stimolato l’interesse per i MOF nelle tecnologie di decarbonizzazione. Sebbene la Cina possa non avere ancora tante startup MOF conosciute a livello globale, vanta una forte collaborazione tra industria e accademia. In particolare, la Cina è leader nello stoccaggio di metano basato su MOF per veicoli (un settore in cui serbatoi riempiti di adsorbente potrebbero permettere ai veicoli a gas naturale di contenere più carburante a pressioni inferiori) e sta studiando i MOF per la cattura delle emissioni industriali nei suoi programmi nazionali CCUS.

Anche altre regioni sono attive: il Giappone continua a contribuire (con ricerche di pionieri come Kitagawa e nuovi lavori su MOF conduttivi), la Corea del Sud ha aziende come framergy (che collabora con gruppi internazionali per commercializzare i MOF), e l’Australia ospita l’ARC Centre of Excellence in Exciton Science che studia i MOF per il sensing e la foto-catalisi. In Medio Oriente, la KAUST dell’Arabia Saudita è un centro di ricerca sui MOF (hanno depositato brevetti sulla cattura del carbonio tramite MOF come già menzionato) cas.org, e paesi come gli Emirati Arabi Uniti e il Qatar sono interessati ai MOF per la desalinizzazione dell’acqua e la separazione dei gas, in linea con le loro esigenze.

È importante sottolineare che lo sviluppo dei MOF non è più confinato al laboratorio. I brevetti e i prodotti commerciali sono in aumento. Un’analisi di Chemical Abstracts Service alla fine del 2024 ha evidenziato che, mentre le pubblicazioni sui MOF sono esplose, “la crescita delle pubblicazioni di brevetti suggerisce che una più ampia commercializzazione di questa tecnologia è imminente.” cas.org In particolare, CAS ha osservato una significativa attività brevettuale nelle applicazioni legate alla decarbonizzazione (cattura del carbonio, energia, stoccaggio di gas) e anche in settori come acqua pulita e sensori cas.org. Questo indica che aziende e istituti stanno proteggendo le innovazioni basate sui MOF mentre si preparano all’implementazione nel mondo reale. Nel 2024, solo una manciata di prodotti abilitati dai MOF era completamente commercializzata businesswire.com – esempi includono i filtri per CO₂ di Svante, i contenitori per gas di NuMat, alcuni dispositivi di purificazione dell’aria di nicchia e una linea di confezioni per il controllo dell’umidità a base di MOF. Ma sembra che siamo a un punto di svolta. “Il mercato globale dei MOF sta attualmente vivendo una transizione critica dalla ricerca accademica all’applicazione industriale,” osserva un rapporto di ResearchAndMarkets, che prevede una crescita del settore di circa il 30% annuo da qui in avanti businesswire.com. Entro il 2035, le applicazioni dei MOF potrebbero rappresentare un mercato da miliardi di dollari, trainato soprattutto da cattura del carbonio, stoccaggio di idrogeno, raccolta dell’acqua e separazioni chimiche businesswire.com.

Il lato produttivo sta crescendo anche lui: circa 50 aziende in tutto il mondo stanno ora producendo MOF, anche se gran parte della capacità è concentrata in pochi attori (come BASF e NuMat) businesswire.com. Le sfide che affrontano includono scalare la produzione da grammi di laboratorio a tonnellate industriali mantenendo la qualità, e farlo in modo economicamente vantaggioso businesswire.com. In modo incoraggiante, si stanno facendo progressi: i costi stanno diminuendo man mano che le tecniche migliorano, e le aziende hanno sviluppato metodi di produzione continua (invece della lenta sintesi batch) per produrre MOF in quantità maggiori businesswire.com. Ad esempio, Promethean Particles nel Regno Unito utilizza un reattore a flusso per produrre MOF e altri nanomateriali, e novoMOF in Svizzera offre la produzione conto terzi di MOF su larga scala. Questi sviluppi implicano che, se dovesse materializzarsi una grande domanda (ad esempio, migliaia di tonnellate per unità di cattura del carbonio), il lato dell’offerta sarà pronto a soddisfarla.

Anche la collaborazione internazionale è evidente: scienziati di diversi paesi co-firmano frequentemente articoli sui MOF, e ci sono conferenze globali (ad esempio MOF2023 a Melbourne, MOF2024 a Vancouver) che riuniscono la comunità. Questo aiuta a diffondere le migliori pratiche e ad evitare sforzi duplicati, dato l’enorme spazio chimico dei MOF.

Prospettive: Perché i MOF sono importanti per un futuro sostenibile

Come abbiamo visto, i MOF si trovano all’intersezione tra scienza dei materiali avanzati e risoluzione di problemi reali. Sono spesso considerati un “game-changer” per la sostenibilità perché rendono possibili processi che prima erano irrealizzabili o inefficienti. La cattura del carbonio ne è un esempio lampante: rendendo meno energivoro il processo di rimozione della CO₂, i MOF potrebbero permettere una diffusione più ampia della cattura del carbonio in centrali elettriche e fabbriche, riducendo significativamente le emissioni di gas serra. Anche lo stoccaggio di energia pulita è un altro esempio: i MOF potrebbero finalmente rendere pratico l’idrogeno (e forse altri gas come il metano) come combustibili puliti, risolvendo il problema dello stoccaggio. Nel campo dell’acqua pulita, i MOF creano letteralmente acqua dall’aria o purificano l’acqua a basso costo, affrontando scarsità e contaminazione senza grandi infrastrutture. Nel settore della sanità, i MOF offrono speranza per la somministrazione mirata di farmaci e diagnosi sensibili, potenzialmente salvando vite con terapie più intelligenti. E in tutta la chimica industriale, i MOF offrono processi di separazione e catalisi più efficienti dal punto di vista energetico, che potrebbero ridurre l’impronta di carbonio nella produzione di prodotti chimici di uso quotidiano.

È raro che una classe di materiali abbia un impatto su così tanti settori – ed è per questo che i MOF vengono spesso paragonati al “prossimo silicio” o alla “prossima plastica” in termini di potenziale trasformativo. Rappresentano un nuovo modo di costruire materiali dal basso verso l’alto con precisione (da cui il paragone con i LEGO o i Tinkertoys a livello molecolare). Questo approccio di progettazione reticolare era per lo più teorico qualche decennio fa; ora è una cassetta degli attrezzi pratica adottata da chimici e ingegneri in tutto il mondo.

Gli esperti ritengono che siamo sull’orlo del passaggio dei MOF da curiosità di laboratorio a materiali onnipresenti e versatili integrati in varie tecnologie. “Con tutte le loro potenziali applicazioni, i MOF stanno guidando importanti progressi in alcuni dei nostri campi scientifici più impegnativi,” ha scritto un analista ACS, aggiungendo che i miglioramenti nell’IA e nel machine learning stanno accelerando la selezione dei MOF, “il che significa che potrebbero essere vicini ulteriori progressi e usi commerciali.” cas.org I tempi per l’ingresso dei MOF sul mercato si stanno già accorciando: se il primo MOF è stato realizzato nel 1995, ci sono voluti fino agli anni 2020 per vedere i primi usi commerciali, ma potremmo vedere dozzine di prodotti basati su MOF nei prossimi anni. I giganti dell’industria stanno prendendo nota – le compagnie petrolifere e del gas guardano ai MOF per processi più puliti, le aziende tecnologiche li considerano per filtri d’aria nei data center, e le case automobilistiche sono interessate a serbatoi di idrogeno MOF e filtri CO₂ per l’aria dell’abitacolo.

A livello globale, il supporto alla ricerca e all’implementazione delle MOF è in linea con priorità urgenti come l’azione per il clima, lo sviluppo sostenibile e la manifattura avanzata. Governi e investitori stanno finanziando startup e progetti pilota sulle MOF, riconoscendo che questi materiali potrebbero dare al proprio paese un vantaggio competitivo nelle tecnologie pulite. Negli Stati Uniti e in Europa, le MOF sono incluse nelle roadmap per la cattura del carbonio e lo stoccaggio dell’idrogeno. I più recenti piani quinquennali della Cina pongono l’accento su nuovi materiali e sostenibilità – settori in cui le MOF eccellono. Anche le organizzazioni internazionali sono coinvolte: ad esempio, la cattura del carbonio basata su MOF è stata evidenziata nelle recenti conferenze CCUS decarbonfuse.com, e la raccolta d’acqua tramite MOF è stata trattata da media come BBC e Scientific American, portando l’attenzione del pubblico su queste innovazioni.

Naturalmente, restano delle sfide. I costi di produzione e la scalabilità necessitano di ulteriori miglioramenti (anche se, come detto, si stanno facendo progressi significativi in questo senso businesswire.com). La stabilità a lungo termine delle MOF in condizioni reali (esposte a impurità, sottoposte a numerosi cicli) deve essere dimostrata caso per caso. E ogni applicazione deve confrontarsi con la concorrenza di altre tecnologie (ad esempio, la cattura del carbonio tramite MOF può superare i nuovi sistemi a solvente o a membrana? I dispositivi per la raccolta d’acqua tramite MOF possono superare la dissalazione tradizionale su larga scala?). A queste domande si risponderà nei prossimi anni attraverso progetti dimostrativi e analisi economiche. I primi segnali sono incoraggianti: dove le MOF eccellono, davvero eccellono – offrendo capacità senza eguali rispetto alle alternative (ad esempio, nessun altro materiale può catturare acqua con il 10% di umidità in modo così efficiente, o immagazzinare tanto idrogeno in una forma così leggera).

In conclusione, i MOF illustrano il potere dell’innovazione chimica per affrontare le sfide globali. Sono nati come una curiosità nei laboratori di chimica e si sono evoluti in una piattaforma con il potenziale di rendere l’industria più pulita, l’energia più sostenibile e risorse come l’acqua più accessibili. Lo sforzo mondiale per sviluppare i MOF – dalle startup americane alle università cinesi, dai consorzi di ricerca europei ai laboratori mediorientali – sottolinea un ottimismo condiviso in questi materiali. Come ha sintetizzato un rapporto, i MOF stanno “passando dalla curiosità scientifica alla realtà commerciale,” risolvendo problemi nella cattura del carbonio, nell’acqua, nell’energia e altro ancora businesswire.com. Se le tendenze attuali continueranno, presto i MOF potrebbero lavorare silenziosamente dietro le quinte in molti aspetti della vita quotidiana, aiutando a realizzare un mondo più verde e avanzato. La prossima volta che berrai un sorso d’acqua nel deserto, guiderai un’auto a idrogeno o respirerai aria più pulita in una città, un framework metallo-organico potrebbe essere proprio parte del motivo.

Fonti: Le ricerche recenti e i commenti degli esperti sui MOF sono stati tratti da riviste scientifiche di primo piano, comunicati stampa universitari e rapporti di settore, tra cui Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, comunicati Businesswire businesswire.com, CORDIS (UE) cordis.europa.eu, e analisi di mercato businesswire.com, tra gli altri. Queste fonti evidenziano il consenso secondo cui i MOF rappresentano una piattaforma rivoluzionaria nella scienza dei materiali, con un impatto reale in rapida crescita.

Boosting Carbon Capture with Ammonia-Activated MOFs

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