金属有機構造体（MOF）：炭素回収やクリーンエネルギーなどを変革するスポンジ状結晶

MOFは、1グラムあたり約7,000 m^2の世界記録となる内部表面積を持ち、理論設計では最大14,600 m^2/gに達します。
約20年の間に、研究者たちは約90,000種類のユニークなMOF構造を作り出し、理論上はさらに数十万種類が予測されています。
MOFは金属ノードと有機リンカーから構成される多孔性結晶ネットワークで、分子スポンジのように機能する調整可能な3D格子を形成します。
亜鉛系MOFであるCALF-20は、工業条件下で1立方メートルあたり1日約1トンのCO2を保持できます。
ZnH-MFU-4lは、約300℃の高温排ガスからCO2を選択的に結合し、90%以上のCO2を回収する画期的な高温CO2回収MOFです。
DCF-1は、2025年半ばにDecarbontekによって発売される、酸化亜鉛とクエン酸から作られた低コストMOFで、フルスケールで1キログラムあたり約10ドルと見込まれています。
Svanteは、1日あたり約1トンのCO2を回収できるCALF-20 MOF吸着材システムをセメント工場で試験運用しています。
アルミニウム系の水回収MOFであるMOF-303は、2023年にデスバレーでハンドヘルド型の水回収装置を実現し、吸着水の約85～90%を回収、1日あたり1キログラムあたり最大285グラムを供給しました。
2022年に開始されたEUのMOST-H2プロジェクトは、AIを用いて水素貯蔵用MOFをスクリーニングしています。2025年までに1万種類以上の構造をスクリーニングし、試作機が極低温条件でDOE目標を達成したと報告されました。
MIL-101(Cr)は、酢酸処理によって細孔径を約2.5nmから5nmに拡張でき、イブプロフェンや5-フルオロウラシルの高濃度充填と迅速な放出が可能です。

先端材料と持続可能性のゲームチェンジャー

サッカーフィールド6面分に相当する内部表面積を、ひとつまみで持つ素材を想像してみてください^[1]。このような金属有機構造体（MOF）は、多孔質で結晶性の化合物であり、金属ノードが有機リンカーで結ばれ、分子レベルでスポンジのようなネットワークを形成しています。科学者たちは、MOFが「ほぼ無限の可能性」を持ち、特性を調整したカスタム構造を構築できると称賛しています^[2]。過去20年間でMOFの研究は爆発的に進み、約90,000種類のユニークなMOF構造が作られ（理論上はさらに数十万種類が予測されています）^[3]。この急増は、MOFが持続可能性や技術の重要課題に取り組む可能性に期待されているためです。気候変動を引き起こす二酸化炭素の回収やクリーンな水素燃料の貯蔵、薬物送達、砂漠の空気からの水の収集まで、MOFはエネルギーや環境からバイオ医療まで、さまざまな分野で画期的なブレークスルーをもたらすと期待されています^[4]^[5]。本レポートでは、MOFとは何か、どのように機能し作られるのか、なぜ革命的と考えられているのかを解説します。二酸化炭素回収、水素貯蔵、薬物送達、センサー、水収集などの主要な応用例を取り上げ、最新の科学的ブレークスルー、実際の導入事例、専門家の見解を紹介します。世界（米国、EU、中国など）と最新の進展を概観しながら、MOFがなぜ未来を変える素材として注目されているのかを見ていきます。

MOFとは？記録的な表面積を持つ多孔性結晶

金属有機構造体（MOF）は、分子版のティンカートイのように構築される珍しい種類の材料です。これらは、ハブの役割を果たす金属イオンまたはクラスターと、それらを支柱としてつなぐ有機分子（配位子）から成り立っています。これらの構成要素が自己組織化して、開放的でケージ状の結晶格子を形成します――本質的には、三次元の多孔質ネットワークが配位結合によって保持されているのです^[6]。その結果生まれるのが、結晶性スポンジです。MOFは非常に高い多孔性と表面積を持ち、その内部は他の分子が入り込める微小な空洞やチャネルで満たされています。実際、MOFは材料中の表面積で世界記録を保持しており、1グラムあたり約7,000 m^2、理論設計では14,600 m^2/gに達するものもあります^[7]。比較のために言えば、典型的なMOFを大さじ1杯分だけでも、その内部表面積はサッカー場数面分にも相当します。これにより、ガスや他の分子を吸着するための豊富な空間が提供されるのです^[8]。

この広大な内部表面積と調整可能な細孔構造こそが、MOFを特別なものにしています。金属ノードや有機リンカーを入れ替えることで、化学者は細孔の大きさ、形状、化学的機能性を調整したさまざまなMOFを作り出すことができます^[9]。ほぼあらゆる組み合わせが可能であり、この分野の先駆者であるオマール・ヤギ教授（1990年代にMOFを初めて合成）は、これまでに数万種類のMOFが作られ、「さらに数十万種類」がアルゴリズムによって予測されていると述べています^[10]。このモジュール式の「網目状」設計戦略により、科学者は本質的に注文通りの材料設計が可能になります。例えば、CO₂分子を優先的に捕捉するMOFや、毒素の存在下で発光するMOFなど、適切な構成要素を選ぶだけで設計できるのです。この多様性の裏返しとして課題もあります――あまりにも多くの構造が存在するため、どのMOFが特定の用途に最適かを予測するのが難しいのです^[11]。（研究者たちは、MOFデータベースをふるいにかけて最も有望な候補を提案するために、AIや機械学習をますます活用しています。この点については後ほど改めて触れます^[12]。）

要約すると、MOFはナノスケールでの超微細なスポンジや足場のようなものです。無機成分と有機成分が繰り返しの格子構造に組み込まれており、その結果、固体でありながら大部分が空間となっています。その空隙にはゲスト分子を収容できます。重要なのは、MOFは通常、最初の溶媒「ゲスト」が除去された後でも堅牢なままであることです ― 空のフレームワークはそのまま維持され、空隙を保ち、新しい分子を吸着し、適切な条件下でそれらを放出する準備ができています ^[13]。この可逆的な取り込みと放出が、ガス貯蔵から薬物送達までの応用の鍵となっています。UCバークレーの化学者カーティス・カーシュ博士は次のように説明しています：「独自の構造の結果として、MOFは適切な条件下でCO₂を捕捉・放出できる高密度のサイトを持っています」 ^[14] ― 同様に他の分子も捕捉・放出できます。要するに、MOFは（巨大な表面積による）高容量、（化学設計による）調整性、可逆性という前例のない組み合わせを提供し、材料科学において強力なプラットフォームとなっています。

MOFはどのように作られ、どのように機能するのか？

MOFの合成は、その複雑な構造から想像されるよりもしばしば簡単です。一般的に、科学者は金属源（例えば金属塩）と有機リンカー分子を溶媒に溶かし、ゆっくり混合したり加熱したり蒸発させたりして結晶化を促します。金属イオンとリンカーは自発的に配位し、秩序だったフレームワークとして結晶化します ― まるでロックキャンディが砂糖水溶液から析出するように、分子スケールでMOF結晶が成長するのです。多くのMOFは溶媒熱法（密閉容器内で加熱）で作られますが、近年はマイクロ波合成、スプレードライ、さらには溶媒を使わない機械化学的粉砕などの新しい手法も登場しています。注目すべきは、MOFが比較的穏やかな条件下でしばしば自己組織化できることです。例えば、最近開発された炭素回収用MOFであるDCF-1は、酸化亜鉛とクエン酸を水で混ぜるだけで合成されます ― これは「安全で持続可能、かつ特許出願中の方法」であり、安価に高性能なMOFを得ることができます^[15]。このことは、研究者たちがコストを下げ、有害な化学物質を避けるために生産方法を改良していることを示しています。MOF結晶はナノメートルからミリメートルサイズまであり、実用のために粉末やペレット、膜状に加工されることが一般的です。

MOFの仕組みは、吸着と選択性に集約されます。MOFの細孔は、分子のための小さな収納ロッカーやトラップのように機能します。MOFが気体や液体にさらされると、標的分子が細孔内に入り、内部表面に付着します（ファンデルワールス力や特定部位での化学的相互作用などによる）。MOFは内部表面積が非常に大きく、特定の分子と結合する化学基を持つことが多いため、驚くほど多くの分子を吸収できます。例えば、あるMOF（CALF-20、亜鉛系フレームワーク）は、工業条件下で1立方メートルあたり1日約1トンのCO₂を保持できます^[16]。本質的に二酸化炭素の巨大なスポンジのように機能します。しかし、この吸着は通常可逆的です。条件を変える（MOFを加熱する、圧力を下げる、別のガスで洗い流すなど）ことで、捕捉された分子が放出（脱着）され、MOFは再び再生されて次のサイクルに使えます^[17]。この循環的な捕集と放出は、カーボンキャプチャーやガス貯蔵のような用途で、MOFを何度も再利用するために不可欠です。CO₂捕集の例では、MOFがCO₂で飽和した後、「CO₂は分圧を下げることで除去できる ― 別のガスで洗い流すか、真空にすることで可能。MOFは再び次の吸着サイクルに使える状態になる」^[18]。

各MOFの内部化学は、特定の分子を他よりも好むように調整でき、非常に高い選択性を持ちます。いくつかのMOFは、細孔内に特定のガスを引き寄せるフックのような開いた金属部位や官能基を持っています。他のMOFは、標的（例えばCO₂）と反応する分子（アミンや銅部位など）で装飾されています。この調整可能性は大きな利点です ― 従来の多孔質材料（活性炭やゼオライトなど）が固定された特性しか持たないのに対し、MOFはカスタム設計が可能です。「その調整可能な特性が重要な要素です」とCAS Insightsレポートは述べています。「高い表面積と多孔性、さらに調整可能な化学性が組み合わさることで、MOFはガスや揮発性化合物を吸着でき、特にCO₂のガス分離や貯蔵で大きな関心を集めています」^[19]。要するに、MOFはナノスケールの細孔で分子を選択的に捕捉することで機能します ― まるで分子でできたふるいやフィルターのように ― そして、トリガーによって後でその荷物を放出できます。このシンプルなコンセプトが、排ガスからのCO₂除去、水素燃料の高密度貯蔵、血流中での薬物分子の運搬など、これから紹介する多様な用途の基盤となっています。

MOFの主な応用例

MOFのユニークなスポンジのような特性は、驚くほど幅広い用途で役立っています。以下では、現在追求されている最も影響力のある用途のいくつかと、それぞれの分野での最近のブレークスルーや事例を紹介します。

カーボンキャプチャーと気候変動対策

MOFの最も緊急性の高い用途の一つは、発電所の排ガスや大気中からの二酸化炭素の回収です。CO₂排出量の削減は気候変動と闘うために不可欠であり、MOFは「カーボンキャプチャーに最も有望な材料の一つ」として注目されています。なぜなら、従来の方法よりも高効率かつ低エネルギーでCO₂を吸着できるからです^[20]。従来のカーボンキャプチャー技術は液体アミン溶液を使ってCO₂を結合させますが、アミンは腐食性があり、再生に多くのエネルギーを必要とし、通常は比較的低温（約40～60°C）でしか機能しません。しかし、多くの産業用排ガスははるかに高温（セメント工場や製鉄所の排気は200～300°Cを超えることもあります）であるため、カーボンキャプチャーは困難かつコストがかかります。なぜなら、まずガスを冷却する必要があるからです^[21]。MOFは大きな進歩をもたらす可能性があります。過酷な条件下でもCO₂を捕捉し、適度な加熱や圧力変化で放出でき、アミンスクラバーよりも全体としてはるかに少ないエネルギーで済みます^[22]。

2024年後半、UCバークレーの化学者たちは、事前冷却なしで高温の排ガスからCO₂を回収できる画期的なMOFを報告しました。この材料はZnH-MFU-4lとして知られ、その細孔内の亜鉛水素化物部位が高温でCO₂を強く結合します。「MOFが、これまでにないほど高温で二酸化炭素を回収できることを発見しました。これは多くのCO₂排出プロセスに関連する温度です」と、本研究の共同筆頭著者であるカーティス・カーシュ博士は述べています。「これは、多孔性材料ではこれまで不可能と考えられていたことです。」 ^[23] 模擬排ガス条件下で、このMOFは約300°CでCO₂を選択的に捕捉（セメント・鉄鋼排ガスの典型的温度）し、流れ中のCO₂の90%以上を回収することができました（「ディープカーボンキャプチャー」）。これは液体アミンに匹敵する性能です。^[24] このような高温動作は、排出ガスを冷却するためのエネルギーや水の消費を回避できる ^[25]ため、鉄鋼やセメントなど「脱炭素化が困難」な産業でのカーボンキャプチャーの実現可能性を高めます。「エントロピーの観点から、温度が上がるほどCO₂のような分子は気相に存在する傾向が強くなるため、200°Cを超える温度で多孔性固体でこのような分子を捕捉するのは不可能と一般的に考えられていました」と、研究を主導したジェフリー・ロング教授は指摘します。「しかし本研究は、適切な機能性を持たせれば…300°Cでも高容量のCO₂回収が実現できることを示しています。」 ^[26] この発見は、次世代カーボンキャプチャー材料のための新たな設計手法（MOF内の金属水素化物部位の利用）を切り開きます。^[27].MOFは、より従来型のCO₂回収の分野でも注目を集めています。スタートアップや企業の関心が急上昇しています: エクソンモービルは炭素回収のためのMOF技術に関する特許を出願しており^[28]、サウジアラビアのKAUSTの研究者たちはCO₂の回収やガス分離のためのMOFを特許化しています^[29]。多くのスタートアップがMOFベースのCO₂フィルターの商業化を競っています。例えば、Nuada（EU拠点のスタートアップ）は、セメントメーカーが排ガスからCO₂を捕捉するのを支援するMOFシステムを開発中です^[30]。別の企業であるMosaic Materialsは、CO₂回収のためのアミン官能基化MOFを開発し、これは非常に有望だったため、エネルギー技術企業のBaker Hughesに2022年に買収されましたスケールアップのために^[31]。MosaicのMOFは、液体アミンの代替や、CO₂の直接空気回収にも使えるかどうか、パイロット試験が行われています^[32]。ちょうど2025年半ば、Decarbontek, Inc.は炭素回収用MOF吸着剤の商業生産を開始したと発表しました。同社はDCF-1（De-Carbon Framework-1）を発売し、これを「画期的で低コスト、高性能な、スケーラブルな炭素回収のために設計されたMOF」と呼び、現在はキログラム単位で入手可能であるとしています^[33]。「DCF-1の発売により、私たちは炭素回収材料の新たな基準を打ち立てています」とDecarbontekのCEO、Dr. Yong Dingは述べました。「コスト効率が高く、製造が容易で、非常に効率的です ― これにより、炭素回収があらゆる産業で利用可能になります。」^[34] DCF-1は（一般的な酸化亜鉛とクエン酸を使って）安価に製造でき、フルスケールでは1kgあたり約10ドルを目指しており、「一般的なモレキュラーシーブと同等」だとDing氏は述べています^[35]。これは、MOFが長らく大量利用には高価すぎると見なされてきたため重要であり、低コストかつ簡単に作れるMOFは導入の大きな障壁を取り除く可能性があります^[36]。この素材は、高いCO₂吸着量と無毒で水ベースの製造プロセスを兼ね備えており、工場への後付けや大気中からのCO₂回収にも理想的だとされています^[37]。Decarbontekの製品や同様の他社製品は、MOF技術が炭素回収分野で研究室から市場へと移行しつつあることを強調しています。

おそらく進歩の最も具体的な兆候はパイロットプロジェクトに見られます。Svante（カナダの企業）は、MOF吸着材（BASFが製造するCALF-20）を使用し、セメント工場の排ガスから1日あたり約1トンのCO₂を回収するデモンストレーションシステムを運用しています^[38]。この実地試験は、MOFが産業用ガス流を処理し、実際の現場条件下で機能することを示しています。このような開発は、MOFが近い将来、世界的なカーボンキャプチャー・利用・貯留（CCUS）の取り組みにおいて重要な役割を果たし、産業界のCO₂排出削減に貢献する可能性を示唆しています。カーボンキャプチャーは気候変動の緩和に不可欠（特に電化が容易でない分野において）であることから、MOFは「奇跡の素材」的なブレークスルーとして広く認識されています^[39]、^[40]。より高い効率と低いエネルギーペナルティを提供することで、MOFベースのカーボンキャプチャーはCCUSのより広範な導入を可能にし、再生可能エネルギーが拡大するまでの重要な橋渡しとなり得ます。要するに、MOFは工場の煙突から大気中までCO₂を制御する強力な新しいツールキットを提供しており、この応用分野がMOF研究と商業化における最も注目される焦点であり続ける理由です。

水素貯蔵とクリーンエネルギー

MOFが現在のエネルギーシステムから炭素を除去するのに役立つなら、将来的には水素のようなクリーンエネルギーキャリアの実現にも貢献する可能性があります。水素（H₂）は有望なゼロカーボン燃料（燃焼しても水しか生成しません）ですが、水素を効率的に貯蔵することは大きな課題です。H₂は非常に低密度のガスであり、圧縮や液化には多くのエネルギーと重いタンクが必要です。MOFは、吸着を利用して水素をコンパクトかつ安全な形で貯蔵する方法を提供します。基本的に、水素ガスはMOFの細孔内に高密度で（特に低温で）卵ケースの卵のように詰め込むことができ、必要なときに放出されます。米国エネルギー省などは水素貯蔵材料の目標値（貯蔵されるH₂の重量パーセントや体積）を設定しており、特定のMOFは極低温下でこれらの目標に近づくか、あるいは上回る実績を示しています。

ヨーロッパでは、水素貯蔵のためにMOFを活用するための協調的な取り組みが進行中です。EUが資金提供するMOST-H2プロジェクト（2022年開始）は、先進的なMOFを用いた低温吸着型水素貯蔵システムを開発しています^[41]。低温吸着では、水素ガスを冷却（通常は液体窒素温度帯、約77K）し、多孔質材料に吸着させることで、極端な高圧をかけずに高密度化を実現します。プロジェクトの「秘密兵器はMOFと呼ばれる特殊な多孔性結晶材料です」としており、これを体積容量と重量容量の最適な組み合わせを持つ一体型MOF吸着剤^[42]へと成形しています。2025年までに、MOST-H2の研究者たちは「大きな進展」を報告しました。AI駆動のスクリーニングと実験を組み合わせて、新しいMOF化合物を特定し、重量容量・体積容量の両方で広く受け入れられている水素貯蔵目標を上回る^[43]ことに成功しました。これらのブレークスルーは特許出願によって保護されており^[44]、その新規性が強調されています。実際に、チームのMOFプロトタイプは、低温条件下で水素を高密度に貯蔵でき、取り扱いが容易かつ安全（極端な高圧が不要）で、「非常に小さな環境負荷」^[45]を持つ材料です。最終目標は、これらのMOFを完全な「ラボからタンクまで」の水素貯蔵ソリューションに統合し、水素自動車のような用途に活用することです（プロジェクトではオーストリアとイタリアの水素列車のケーススタディも検討中）^[46]。

この取り組みの注目すべき点の一つは、機械学習を活用して発見を加速させていることです。MOST-H2プロジェクトでは、どのMOF構造が水素吸着に最適かを予測するAIツールを開発し、「高性能材料の堅牢なデータベース」を作成しました。これにより、計算手法がMOF開発をどのように変革できるかを示しています^[47]。1万以上のMOF構造を仮想的にスクリーニングし、上位候補を実験室でテストすることで、チームはいくつかの優れた性能を持つ材料を特定し、すぐに特許を取得しました^[48]。このアプローチは、通常材料の研究開発に必要な試行錯誤を大幅に削減します。その結果、プロジェクトのMOFは、実用的な燃料タンクに必要な厳しい貯蔵目標を達成、あるいは上回る見込みであり、しかもコスト効率が高く、何度も繰り返し使っても安定しています^[49]。MOFベースのタンク設計は、先進的な熱・物質移動モデリングやライフサイクル分析によって最適化されており、実際の車両にスケールアップして統合できるようにしています^[50]。

このプロジェクト以外にも、他の研究者たちは驚異的な水素吸着能力を持つMOFを実証しています。例えば、MOF-74（よく知られたフレームワーク）は、77Kで加圧されていないどのタンクよりも多くの水素を吸着でき、MOFが水素貯蔵のボトルネックを解消する可能性を示しています^[51]。一般的な戦略は、極低温付近で運用することです。これはエネルギー集約的に聞こえるかもしれませんが、巧みな断熱や液体水素のボイルオフによる「無料」の冷却を利用することで実現可能です。その見返りとして、軽量で大容量の水素タンクが得られ、燃料電池車やバス、航空機などで700バールの圧縮や非常に重い容器が不要になります。このようなタンクは「固体状態」の水素バッテリーともなり、MOF粒子が中程度の圧力で安全に水素を保持します。研究者たちはまた、常温での水素貯蔵のためのMOFも探求していますが、現時点ではどの材料もDOEの全目標を常温条件で満たしていません。

要するに、MOFは水素の貯蔵問題を解決する最前線にあります。MOFはナノスポンジのように機能し、吸着によって水素分子を高密度に詰め込むことで、一定の圧力下でより多くの水素を一定の体積に収めることができます。現在のMOFと極低温冷却を組み合わせた技術は、記録的な貯蔵容量を示しており、場合によっては液体水素が単位体積あたりに達成できる量を超えることもあります。これにより、水素自動車は1タンクでより長距離を走行でき、より速く燃料補給が可能になるかもしれません。水素がクリーンエネルギーキャリア（輸送、電力網貯蔵、産業用途）として世界的に注目される中、MOFベースのタンクのような進歩は極めて重要です。特許の出願やEUなどでの複数年プロジェクトへの資金提供は、MOFが水素経済で重要な役割を果たすという自信の表れです。EUのある報告書が述べているように、これらの革新的な材料は、ヨーロッパの気候目標に向けて「安価で効率的、かつ環境に優しい水素貯蔵ソリューション」を約束しています^[52]。この声明は、各国が水素インフラに投資する中、世界中で共感を呼んでいます。

ドラッグデリバリーと生物医学的応用

MOFはエネルギーや環境分野だけでなく、生物医学分野でも新しい薬物送達システムやイメージング剤として注目を集めています。医薬品分野では、MOFは治療分子のナノスケールキャリアとして機能します。つまり、薬剤（低分子、タンパク質、あるいは核酸であっても）がMOFの細孔に充填され、MOFのケージによって保護されながら体内を運ばれるというアイデアです。多孔性フレームワークは、薬剤を早期分解から守ったり、特定の場所での放出をターゲットにしたり、時間をかけてゆっくりと制御放出したりすることができます。MOFは刺激（pHや光など）に応答して薬剤放出をトリガーするように設計することも可能です^[53]。これはナノ医療分野で急成長している研究領域です。

MOFの利点の一つは、その高い積載容量です。膨大な表面積を持つため、重量に対して多くの薬剤を運ぶことができます。また、多くのMOFは生体適合性のある成分（例：亜鉛や鉄のノードと食用有機酸）から作ることができるため、体内で無毒な副産物に分解されます^[54]。実際、一部のMOFは生体親和性および生分解性を持ち、生体内での利用に適しています^[55]。研究者たちは、血流への注射や細胞内送達のために設計された非常に小さなMOF粒子（通常50～200ナノメートル）を「ナノMOF」と呼んでいます^[56]。これらのナノMOFのいくつかは、がん治療の臨床試験まで進んでいます^[57]。例えば、化学療法薬のキャリアや放射線治療の強化剤として利用されています。これは、医療分野におけるMOFのプラットフォームとしての真の可能性を示しています。

2024年の最近の研究で、簡単な化学的調整によってMOFの薬物送達性能が向上することが示されました。マイアミ大学の科学者たちは、よく知られているMOFであるMIL-101(Cr)（大きな細孔を持つクロム系フレームワーク）を用い、追加の合成ステップによって効果的に「膨らませ」ました^[58]。彼らはMOF結晶を少量の酢酸（酢のようなもの）で処理し、細孔サイズを約2.5nmから5nmに拡大し、内部表面積を増加させました^[59]。この「細孔拡大」MOF粒子には、2つのモデル薬剤—イブプロフェン（抗炎症薬）と5-フルオロウラシル（抗がん剤）—が充填され、容量と放出速度がテストされました。結果は驚くべきものでした：「膨らませたMOFは、元のバージョンと比べてより多くのイブプロフェンや抗がん剤を保持し、潜在的な薬物送達キャリアとしての性能が向上しました。」^[60] 細孔が大きくなったことで、より多くの薬剤分子が内部に収容できるようになり、実際に改良されたMOFは未改良のMIL-101よりも両方の薬剤を多く吸収しました^[61]。さらに、放出実験では、拡大細孔MOFは元のものよりもはるかに速く薬剤を放出し、これは大きな開口部が分子の出口となる「広いドア」として機能したためです^[62]。より速い放出は、治療レベルに迅速に到達するのに有益かもしれませんが、制御された緩やかな放出は他の改良によって達成できる可能性があります。研究者たちは、このシンプルな酸洗浄法をさまざまなニーズに合わせてMOFの送達プロファイルを調整する方法と見なしています^[63]。彼らが述べているように、「このような簡単な変更によって、将来の薬物送達用途におけるMOFの有効性を最大化できる可能性があります」。そして現在も、細孔構造を調整することで特定の期間にわたる遅く持続的な放出を実現する方法の研究が進められています^[64]。

これは多くの例のうちの一つに過ぎません。他の研究では、MOFが複数の薬剤を運搬したり、タンパク質やRNAのような繊細な生体分子を保護したり、さらにはMOFにターゲティングリガンドを付加することで腫瘍への標的送達を促進できることが示されています。金属中心を組み合わせて選べるため、研究者たちは金属の選択が放出速度に影響することを発見しました。例えば、ある研究ではマグネシウムで作られたMOFはジルコニウムで作られたものよりも試験薬を速く放出し、より溶解性の高い金属ノードがフレームワークの分解と薬剤放出を早めることを示唆しています^[65]。このような知見が、「オンデマンド」薬剤放出やセラノスティクス（治療＋診断）のためのMOF設計を導いています。特筆すべきは、MOFが造影剤やイメージングプローブとしても機能できることです。中には発光性ランタニドや放射性同位体を組み込んで追跡に利用したり、MRI信号を強化するものもあります。特定のMOFの発光特性は、バイオマーカーや環境毒素を蛍光変化で検出できるバイオセンサーの実現にもつながっています^[66]。これにより、薬剤送達とセンシングの境界が曖昧になっています。

重要なのは、初期の安全性試験で、適切に調製されたMOFが体内で無毒かつ生分解性であることが示されている点です^[67]。例えば、鉄や亜鉛と食品グレードのリンカーで作られたMOFは、栄養素に分解されたり排出されたりします。この生体適合性と高い積載能力、多様性が組み合わさり、専門家たちはMOFを「有望な新しいスマート薬物キャリアのクラス」と称賛しています^[68]。MOFベースの薬剤はまだ市販されていませんが、進行中の臨床試験から、それも時間の問題だと考えられています。近い将来、MOFナノ粒子が化学療法薬をより直接的にがん細胞へ送達し、副作用を減らしたり、体内の有害物質を吸収する「ナノ解毒剤」として機能したりするかもしれません。研究の勢いは強く、あるレビューではがん、HIV、糖尿病などのためのMOF薬物送達システムが数十種類も研究中であると報告されています^[69]。これらの取り組みが成功すれば、MOFは精密医療の新時代を切り開く可能性があり、治療は単なる薬剤分子だけでなく、それを運ぶスマートなキャリアも重要となるでしょう。

センサーと検出

その調整可能な化学特性と多くの場合本来備わっている発光性のおかげで、MOFは化学センサーの強力な構成要素として登場しています。MOFの構造にごくわずかな変化――たとえばゲスト分子の結合や電子の移動――が起こると、それが検出可能な光学的または電気的信号に変換されます。これにより、MOFは環境、食品、さらには人体内の微量化合物の検出に非常に優れています。研究者たちは、重金属イオン、爆発物（TNT蒸気など）、有害な工業用ガス、疾患のバイオマーカーなど、幅広いターゲットに対応したMOFベースのセンサーを開発しています^[70]、^[71]。

よく使われるアプローチの一つが、発光性MOF（しばしばLMOFと呼ばれる）です。これらは自然に蛍光や燐光を発するMOF、または蛍光分子や金属イオンでドープされたMOFです。ターゲットとなる分析物がMOFの細孔に入ると、発光が変化することがあります――たとえば消光、増強、色の変化などです。例えば、ランタニド金属を含む特定のMOFは明るいシグナルを発し、特定の化学物質によって選択的に消光されるため、それらの化学物質を非常に低濃度で検出できます^[72]。アルミニウムのような金属イオンが結合したときだけ発光するターンオン型センサー^[73]や、pHや酸素に応じて色が変わるセンサーとして機能するMOFもあります。MOFはモジュール構造を持つため、センサー設計者は認識部位をフレームワーク内に直接組み込むことができます。たとえば、汚染物質分子にぴったり合う結合ポケットを持つMOFを想像してください――汚染物質が捕捉されると、電子やエネルギーの移動が引き起こされ、MOFの蛍光が暗くなったり色が変わったりします。このような特異性はセンシングにおいて非常に重視されます。

MOFセンサーの大きな利点は、高感度かつ高選択性でありながら安定性を保てることです。MOFはさまざまな環境下で動作できることが多く（中には水中でも安定なものもあり、水環境でのセンシングに適しています）、研究者たちは尿や血液のような複雑な液体中のバイオマーカーを、ろ過と捕捉を一度に行うことで検出できるMOFベースのセンサーも開発しています^[74]。もう一つの注目すべき分野は電気化学的MOFセンサーです。導電性MOFや複合材料は、ガスや蒸気が吸着されると電流応答を発生させ、新しいタイプの「電子ノーズ」として機能します^[75]。

重要なことに、多くのMOFは比較的無害な成分から作られているため、消費者向けや医療用センサーへの利用が可能です。CASのアナリストは、MOFはバイオセンサーとして非常に優れていると指摘しています。なぜなら、いくつかのMOFは「低毒性で生分解性がある」からです。特に、発光を利用した検出に使われるMOFが該当します^[76]。これは、MOFでコーティングされたプローブが将来的に体内（in vivo）で状態をモニタリングするために使われたり、MOF粒子が使用後に安全に溶解する診断テストの一部となる可能性があることを意味します。すでに、MOFセンサーは水中の有害な重金属（水銀や鉛が存在するとMOFが蛍光を発する）^[77]、食品汚染物質（農薬や抗生物質がMOFの発光を変化させる）^[78]、さらには呼気分析用のウェアラブルセンサーなどに試験的に使われています。

開発中の例としては、爆発物や化学兵器を検出するためのMOFベースのセンサーアレイがあります。複数のMOFを用い、それぞれが異なる化学構造に反応するように調整することで、アレイは特定の物質に対して独自のフィンガープリント（指紋）を生成できます（私たちの鼻が匂いを区別する仕組みに似ています）。別の例として、研究者たちは肉の分解によるアミン蒸気を検出し、色の変化で食品の腐敗を素早く知らせる発光MOFセンサーを開発しました^[79]。これらの創造的なソリューションは、MOFが公衆衛生や安全にどのように貢献できるかを示しています。

要するに、MOFはセンサー技術に高感度、カスタマイズ性、安定性をもたらします。場合によっては数十億分の一（ppb）レベルの分子を検出でき、その反応は目で見える色の変化や、電子的な読み取りのための電流・電圧の変化として設計できます。環境モニタリングや食品安全基準が厳しくなる中、MOFセンサーはその精度と実用性の組み合わせにより広く利用される可能性があります。MOFは薄膜や粉末としてデバイスにコーティングできるため、センサーハードウェアへの統合も非常に現実的です。世界中の企業や研究機関がMOFセンサーデザインを積極的に特許化しており^[80]^[81]、近い将来、MOF技術を活用した商用センサー製品が登場するかもしれません。例えば、食品の腐敗を検知するスマートキッチンセンサーや、空気の質や安全上の脅威を検出する携帯型検出器などです。これは化学と工学が交差する活気ある分野であり、MOFは私たちの世界をより細かく検出・計測可能にする最先端に位置しています。

水の収集とクリーンウォーター技術

MOFの最も未来的な用途のひとつと思われるもの――しかもすでに現実で実証されている――は、空気中から飲料水を取り出すことです。大気中の水分回収は、空気中の水分（乾燥した砂漠気候でも）を抽出して新鮮な水を供給することを目指す技術です。従来の除湿器や霧ネットは、比較的湿度の高い空気や大量のエネルギーを必要とします。しかし、MOFは極めて乾燥した空気（相対湿度10～20％）から水を捕集し、最小限のエネルギー投入で放出できる能力を示しており、干ばつに苦しむ地域のオフグリッド型水生成装置に理想的です。

このコンセプトは、MOFの発明者であるオマール・ヤギ教授とその同僚によって先駆けられました。2017年、彼らは太陽光のみをエネルギー源として砂漠の空気から水を回収できるMOF（MOF-801）を初めて報告しました。2023年には、この技術はさらに飛躍しました。UCバークレーの研究者たちは、MOFを用いた手持ち型の水回収装置を発表し、デスバレーでテストしました――地球上で最も乾燥し、最も暑い場所のひとつです。この装置は小型バックパックほどの大きさで、完全に周囲の太陽光のみで動作し、夜間に水を捕集し、昼間に液体として放出するサイクルを繰り返しました。「これらのテストは、この装置がどこでもきれいな水を供給できることを示しました」とチームは報告し、「気候変動が干ばつを悪化させる中での緊急の解決策」と呼びました。^[82] MOFベースの回収装置は、湿度10％という低湿度の空気からも水分を取り出すことができ、フィールドで1日あたりMOF1kgあたり最大285グラムの水を生成しました ^[83]。（約285gはコップ1杯分に相当します。理想条件下の実験室テストではさらに多く得られます。）驚くべきことに、これは太陽光以外の外部電力を一切使わずに実現しており、温室効果ガス排出ゼロ、電力不要ということです^[84]。これは、MOFがまず夜間の冷たい空気から水蒸気を吸着し、昼間に太陽光で加熱されて水蒸気を放出し、それをコレクターで液体に凝縮する仕組みだからです。MOFは性能低下なく何度もサイクル運転でき、乾燥させるだけで再生可能なため、長期使用に適した堅牢な水スポンジとなります^[85]。

最新の装置で使用されているMOFは、アルミニウムを基盤としたフレームワーク（MOF-303と呼ばれる）で、水に対して強い親和性を持ちながらも、適度な温度（約80°C）で水を放出します。このMOFは、その卓越した性能から選ばれました。すなわち、極めて乾燥した環境下でも水を収集でき、かつ数千回のサイクルでも安定しています^[86]。実際、MOF-303はデスバレーでの実地試験にも成功し、過酷な環境での実用性が確認されました^[87]。テスト中、この装置は各サイクルで吸着した水の約85～90%を回収することに成功し^[88]、捕集した水分の損失が非常に少ないことを示しました。2023年7月にNature Waterに発表された研究を主導したヤギ博士は、次のように重要性を強調しています。「世界人口のほぼ3分の1が水不足地域に住んでいます。国連は、2050年までに約50億人が水不足を経験すると予測しています…これは新たな水源を活用する上で非常に重要です。」^[89] 大気中の膨大な水の貯蔵庫（砂漠でさえ空気中に多少の水分があります）を活用することで、MOF装置は分散型かつ持続可能な新しい水源を提供します。大規模な海水淡水化プラント（電力と海水が必要）とは異なり、MOFハーベスターは個人または村規模の装置として、空気と太陽光があればどこでも稼働します。

商業的な取り組みが現在、MOF（多孔性金属有機構造体）による水収集装置の大規模化に向けて進行中です。いくつかのスタートアップ企業が、しばしば大学と協力しながら、この技術を発展させています。最近の市場レポートによると、Water Harvesting Inc. (WaHa)、AirJoule、Transaeraなどの企業が、MOFの優れた水吸着特性を活用して次世代の冷却・給水システムを構築しています^[90]。これらのシステムは、改良された材料と設計のおかげで、乾燥した環境下でも1日あたりMOF1kgにつき0.7リットルの水を生成できると報告されています^[91]。これは初期プロトタイプの約2倍の収量です。例えばTransaeraは、MOFを組み込んだ超高効率エアコンを開発しており、空気を冷却するだけでなく、ボーナスとして水も回収します（TransaeraはGlobal Cooling Prizeのファイナリストでした）。MIT関連のAQUAmlによる別の取り組みでは、MOFを使って空気中の湿気から自動で補充される個人用水筒を開発しています。MOFは低湿度でも機能するため、受動的除湿にも利用でき、凝縮コイルを使わずに空気を乾燥させて冷却効率を高めることができます^[92]。

MOF水収集装置は、これらの材料が人道的ニーズや気候適応にどのように貢献できるかを示す好例です。水源が汚染されている地域では、MOFデバイスが最小限のインフラで安全な飲料水を提供できる可能性があります。また、モジュール式に拡張できるため、コミュニティ向けに何百台ものMOFユニットを展開したり、家族向けに1台だけ設置したりすることも可能です。研究者たちは、ハイカー向けの自動給水ボトルや、現場の部隊向けの水生成装置など、すべてMOFと太陽光で動作する未来も構想しています。コストや生産規模の拡大が次の課題ですが、これまでの進展は非常に有望です。ある記事は、MOFによる空気中から水を得る装置について、「化学が魔法に近づいたようだ」と表現しました。空気のように形のないものを、生命に不可欠な資源へと変えるのです。気候変動で干ばつが頻発する中、このような技術は水の安全保障にとってゲームチェンジャーとなり、社会的善のための先端材料の感動的な応用例となるでしょう。

その他の新たな用途（触媒、電池など）

上記の主要な応用例以外にも、MOFは他の多くの分野でその多様性を示しています。高い比表面積、調整可能性、活性金属や官能基を組み込める能力により、MOFは触媒作用—化学反応を加速する—に理想的です。MOF自体が触媒として、または触媒材料の前駆体として機能することができます。例えば、開いた金属部位を持つMOFはCO₂を燃料に変換する触媒として使用されており、MOF由来の材料（MOFから金属を保持したカーボンフレームワークなど）は、電極触媒（例えば燃料電池の酸素還元反応）で優れた性能を示しています^[93]。ある研究では、MOF由来の窒素ドープカーボンナノチューブが、標準的な触媒と比較して水の電気分解において「電極触媒活性と安定性の向上」を示したと報告されています^[94]。MOFを用いて触媒の原子構造を設計できる能力（「ナノキャスティング」とも呼ばれる）は、グリーンケミストリーや産業プロセスにおいて非常に魅力的です。

MOFはエネルギー貯蔵デバイスへの応用も模索されています。研究者たちは、MOFをリチウムイオン電池の電極材料としてテストしており、多孔質構造がリチウムイオンを収容し、容量や充電速度の向上が期待されています^[95]。一部のMOF（またはその誘導体）は、高速エネルギー貯蔵用のスーパーキャパシタ材料としても研究されています^[96]。ほとんどのMOFは絶縁体ですが、新しいサブクラスである導電性MOFが登場し、電子を輸送できるため、エレクトロニクスやセンサーへの応用が期待されています。さらに、固有の磁性や強誘電性を持つMOFも先端機能デバイス向けに研究されています。

MOFの革新が進んでいるもう一つの分野は、化学産業におけるガス分離および精製です。カーボンキャプチャーについては前述しましたが、MOFは他の困難な分離にも対応できます。例えば、プロピレンとプロパンの分離（プラスチック製造の重要な工程）や、天然ガスからの不純物除去などです。UniSieveのような企業は、MOFベースの膜を開発しており、分子ふるいのように機能し、エネルギー効率の高い分離を実現しています。あるケースでは、MOF膜がプロパンから99.5%純度のプロピレンを分離することに成功しました^[97]。これは、通常このような分離に大量のエネルギーを消費する蒸留に代わる、低エネルギーの選択肢となる可能性があります。同様に、MOFフィルターは冷媒リサイクル、工業用溶媒の精製、さらには核廃棄物の浄化（放射性ヨウ素やキセノンの捕捉）にも応用が模索されています。

エレクトロニクスやセンサーの分野では、研究者たちは特定のガスに選択的なMOFベースの薄膜を作製しており、新しいタイプのガスセンサーや燃料電池用膜の開発が期待されています。環境修復ももう一つのニッチ分野です。MOFはその調整可能な吸着特性により、PFAS（「永遠の化学物質」）のような汚染物質を水から捕捉でき、また一部の光触媒MOFは光の下で有機汚染物質を分解することができます。

最後に、MOFには風変わりですが興味深い潜在的用途もあります。例えば、臭いや化学物質を吸着するMOF繊維（防護服用）や、エチレンを吸着して食品をより新鮮に保つ冷蔵庫用MOFコーティングなどです。これらのアイデアはすべて実際に試験されています。要するに、MOFはプラットフォーム材料であるということです。ポリマーやシリコンが多様な用途を見出したように、MOFも材料の世界のスイスアーミーナイフなのです。ある市場分析では、「MOFの卓越した特性――記録的な比表面積、調整可能な細孔、カスタマイズ可能な化学――は、社会の最も差し迫った課題のいくつかに対する解決策を可能にしている」と述べています。^[98] クリーンな空気や水からクリーンエネルギー、健康に至るまで、MOFは幅広いイノベーションにその足跡を残しています。

グローバルな展望：世界における研究、特許、商業化

MOF（多孔性金属有機構造体）に対する興奮は、まさに世界的なものです。アメリカ（カリフォルニア大学バークレー校およびUCLAでの八木教授の研究）や日本（京都での北川進教授による独自のMOF発見）で最初のブレークスルーがあった後、研究は北米、ヨーロッパ、アジア、そしてさらにその先へと急速に広がりました。アメリカ合衆国は依然としてMOFイノベーションの中心地であり、主要な大学（バークレー、MIT、ノースウェスタンなど）、国立研究所、企業が最先端を切り開いています。アメリカのいくつかのスタートアップ企業は、しばしば大学の研究室からスピンアウトし、MOFの商業化を進めています。NuMat Technologies（イリノイ州）はガス貯蔵に注力しており、半導体産業向けに有毒ガスをより安全な大気圧以下で貯蔵できるMOF搭載ガスシリンダー（ION-X）を販売した実績もあります^[99]。NuMatはまた、自社施設で年間約300トンのMOF生産能力があると報告しています^[100]。Mosaic Materials（カリフォルニア州、前述のCO₂回収）やTransaera（マサチューセッツ州、冷却用途）も、他の注目すべきアメリカのベンチャー企業です。産業大手のBASF（ドイツ）は、MOFへの大規模投資を最初に行った企業の一つであり、2010年代にMOFの生産を拡大（銅系MOFをトン単位で生産）し、現在ではルートヴィヒスハーフェンで数百トン規模の年間生産能力を有しています^[101]。BASFのMOF（Basoliteの名称で販売）は、高級省エネ断熱ガラスや化学フィルターなど、一部の商業製品にも使用されています。ヨーロッパはMOFに関する強力な学術ネットワークを持っており（例：EUはEuroMOFのような会議を開催）、欧州連合はMOST-H2（水素貯蔵）やAMADEUS（MOFによるアンモニア貯蔵）などのプロジェクトに資金を提供し、応用研究を加速させています。

中国は、過去10年間でMOF科学の多産な貢献者として台頭してきました。実際、発表件数の指標によれば、中国の研究者は炭素回収からドラッグデリバリーに至るまで、MOFに関する新しい論文や特許の大部分を占めています。ある文献計量学的研究では、「中国はがん研究におけるMOF分野で重要な貢献をしており、主導的な地位を占めている」と指摘されています（^[102]）。吉林大学、南開大学、中国科学院などの主要な中国の機関は、MOFベースの電池からCO₂から燃料への触媒まで、あらゆる分野を探求するMOFセンターを設立しています。中国政府による2060年までのカーボンニュートラル推進は、脱炭素技術のためのMOFへの関心を高めています。中国はまだ世界的に知られるMOFスタートアップの数は多くないかもしれませんが、産学連携は強固です。特に、中国は車両用MOFベースのメタン貯蔵（吸着剤充填タンクにより天然ガス車が低圧でより多くの燃料を保持できる分野）でリードしており、国家CCUSプログラムのもとで産業排出物の回収用MOFの研究も進めています。

他の地域も活発です。日本は（北川らの先駆的研究や導電性MOFの新しい研究などで）引き続き貢献しており、韓国にはframergyのような企業（MOFの商業化のために国際グループと提携）があり、オーストラリアにはARC Centre of Excellence in Exciton Scienceがあり、MOFのセンシングや光触媒への応用を研究しています。中東では、サウジアラビアのKAUSTがMOF研究の拠点となっており（MOFによる炭素回収の特許を出願していることが指摘されています、^[103]）、アラブ首長国連邦やカタールなどの国々も、水の淡水化やガス分離のためのMOFに関心を持っており、それぞれのニーズに合致しています。

重要なのは、MOFの開発がもはや研究室内にとどまっていないことです。特許や商業製品が増加しています。Chemical Abstracts Serviceによる2024年後半の分析では、MOFに関する論文が急増している一方で、「特許公開の増加は、この技術のより広範な商業化が差し迫っていることを示唆している」 cas.org と強調されています。特にCASは、脱炭素関連の用途（カーボンキャプチャー、エネルギー、ガス貯蔵）や、きれいな水やセンサーの分野で顕著な特許活動を確認しました^[104]。これは、企業や研究機関が実用化に向けてMOFベースのイノベーションを保護していることを示しています。2024年時点で、MOFを活用した製品で完全に商業化されているものはごくわずかです^[105]。例としては、Svante社のCO₂フィルター、NuMat社のガス容器、一部のニッチな空気清浄機器、MOFベースの湿度調整パックのラインアップなどが挙げられます。しかし、私たちは今、転換点にいるようです。「世界のMOF市場は現在、学術研究から産業応用への重要な転換期を迎えている」とResearchAndMarketsのレポートは指摘し、今後業界は年率約30％で成長すると予測しています^[106]。2035年までに、MOFの応用は特にカーボンキャプチャー、水素貯蔵、水の収集、化学分離によって数十億ドル規模の市場になる可能性があります^[107]。

製造側も拡大しています：現在、世界中で約50社がMOFを生産しており、その多くの生産能力は少数の企業（BASFやNuMatなど）に集中しています^[108]。彼らが直面している課題には、品質を維持しながら実験室レベルのグラム単位から産業規模のトン単位へと生産を拡大すること、そしてそれをコスト効率よく行うこと^[109]が含まれます。励みになることに、進展は見られており、技術の向上とともにコストは下がってきており、企業はMOFを大量生産するための連続生産方式（従来のバッチ合成のような遅い方法ではなく）を開発しています^[110]。例えば、イギリスのPromethean Particlesはフロ―リアクターを使ってMOFや他のナノ材料を大量生産しており、スイスのnovoMOFは大規模なMOFの受託製造を提供しています。これらの進展は、もし（例えば炭素回収装置向けに数千トン規模の）大きな需要が生じた場合でも、供給側がそれに応じる準備ができていることを示唆しています。

国際的な協力も明らかです：異なる国の科学者たちがMOF論文を共同執筆することが頻繁にあり、グローバルな会議（例：メルボルンでのMOF2023、バンクーバーでのMOF2024）がコミュニティを一堂に集めています。これは、MOFの膨大な化学空間を考慮すると、ベストプラクティスの共有や重複作業の回避に役立っています。

展望：持続可能な未来のためにMOFが重要な理由

ご覧の通り、MOFは先端材料科学と現実世界の課題解決の交差点に位置しています。MOFは、従来は実現不可能または非効率的だったプロセスを可能にすることから、しばしば「ゲームチェンジャー」として持続可能性の分野で称賛されています。二酸化炭素回収はその代表例です。MOFによってCO₂の除去がより省エネルギーで行えるようになれば、発電所や工場での二酸化炭素回収の普及が進み、温室効果ガスの排出を大幅に削減できるかもしれません。クリーンエネルギー貯蔵も同様です。MOFは、水素（あるいはメタンのような他のガスも）をクリーン燃料として実用化する上で、貯蔵の課題を解決することで、ついに現実的なものにする可能性があります。クリーンウォーターの分野では、MOFは文字通り空気から水を作り出したり、安価に水を浄化したりすることで、大規模なインフラを必要とせずに水不足や汚染の問題に対応します。ヘルスケアでは、MOFは標的型薬物送達や高感度診断への希望をもたらし、よりスマートな治療法で命を救う可能性があります。そして産業化学全体においても、MOFはより省エネルギーな分離や触媒プロセスを提供し、日常的な化学品の生産におけるカーボンフットプリントの削減に貢献し得ます。

これほど多くの分野に影響を与える材料クラスは稀であり、だからこそMOFは「次のシリコン」や「次のプラスチック」といった変革的な可能性を持つものとして頻繁に比較されるのです。MOFは、材料を分子レベルで精密に下から組み立てる新しい方法を体現しています（そのため、分子レベルのLEGOやティンカートイに例えられることもあります）。この網目構造設計アプローチは数十年前まではほとんど理論的なものでしたが、今や世界中の化学者やエンジニアに受け入れられている実用的なツールキットとなっています。

専門家たちは、MOFが研究室の珍品からあらゆる技術に組み込まれる汎用材料へと移行する瀬戸際にあると考えています。「多様な応用可能性を持つMOFは、私たちの最も困難な科学分野で重要なブレークスルーをもたらしています」と、あるACSアナリストは述べ、AIや機械学習の進歩がMOFのスクリーニングを加速していることを付け加えました。「つまり、さらなる進展や商業利用が間近に迫っている可能性があるのです。」 ^[111] MOFが市場に浸透するまでのタイムラインはすでに短縮されています。最初のMOFが1995年に作られてから、最初の商業利用が現れるまで2020年代までかかりましたが、今後数年でMOFを活用した製品が何十種類も登場するかもしれません。業界大手も注目しており、石油・ガス会社はMOFによるクリーンなプロセスを、テック企業はデータセンターの空気清浄フィルターへの応用を、自動車メーカーはMOF水素タンクや車内空気用CO₂除去装置への関心を示しています。

世界的に見ても、MOFの研究と導入への支援は、気候変動対策、持続可能な開発、先端製造といった緊急の優先課題と一致しています。各国政府や投資家は、MOFのスタートアップやパイロットプロジェクトに資金を提供しており、これらの材料が自国にクリーンテクノロジー分野で競争優位性をもたらす可能性を認識しています。米国や欧州では、MOFがカーボンキャプチャーや水素貯蔵のロードマップに組み込まれています。中国の最新の5カ年計画でも、新素材や持続可能性が強調されており、これらはまさにMOFの得意分野です。国際機関も関与しており、例えば、MOFを用いたカーボンキャプチャーは最近のCCUS会議で取り上げられました^[112]。また、MOFによる水の収集はBBCやScientific Americanなどのメディアで取り上げられ、これらのイノベーションに一般の注目が集まっています。

もちろん、課題も残っています。製造コストやスケーラビリティのさらなる改善が必要です（ただし、前述の通り、この分野でも大きな進展が見られています^[113]）。MOFの長期的な安定性（不純物への曝露や繰り返しのサイクルに耐えられるか）は、個別に実証する必要があります。また、各用途ごとに他の技術との競争にも直面します（例えば、MOFによるカーボンキャプチャーは新しい溶媒や膜システムに勝てるのか？MOFによる水収集は従来の大規模な淡水化技術を上回れるのか？）。これらの問いは、今後数年の実証プロジェクトや経済分析を通じて答えが出てくるでしょう。初期の兆候は有望です。MOFが優れている分野では、本当に優れており、他の選択肢では実現できない能力を提供しています（例：他のどの材料も10%の湿度でこれほど効率的に水を捕集したり、これほど軽量で大量の水素を貯蔵したりすることはできません）。

結論として、MOF（金属有機構造体）は、化学のイノベーションが世界的な課題に取り組む力を示しています。MOFは化学実験室での好奇心から始まり、産業をよりクリーンにし、エネルギーをより持続可能にし、水のような資源をより身近にする可能性を持つプラットフォームへと進化しました。MOFの世界的な開発努力—アメリカのスタートアップから中国の大学、ヨーロッパの研究コンソーシアム、中東の研究所まで—は、これらの材料に対する共通の楽観主義を強調しています。ある報告書が簡潔に述べているように、MOFは「科学的好奇心から商業的現実へと移行している」のであり、炭素回収、水、エネルギーなどの課題を解決しています^[114]。現在の傾向が続けば、MOFはまもなく日常生活の多くの場面で静かに裏方として働き、よりグリーンで先進的な世界の実現を助けるかもしれません。次に砂漠で水を飲んだり、水素自動車を運転したり、都市でよりきれいな空気を吸ったりするとき、金属有機構造体がその理由の一部かもしれません。

出典: MOFに関する最新の研究および専門家のコメントは、Science、^[115]、Nature Water、^[116]、ACS Publications ^[117]、Berkeley News ^[118]、CAS Insights (ACS) ^[119]^[120]、Businesswire releases ^[121]、CORDIS (EU) ^[122]、および市場分析 ^[123] など、主要な科学雑誌、大学のプレスリリース、業界レポートから引用されています。これらの情報源は、MOFが材料科学における画期的なプラットフォームであり、実社会への影響が急速に拡大しているというコンセンサスを強調しています。

Boosting Carbon Capture with Ammonia-Activated MOFs

この動画を YouTube で視聴.

References

金属有機構造体（MOF）：炭素回収やクリーンエネルギーなどを変革するスポンジ状結晶

先端材料と持続可能性のゲームチェンジャー

MOFとは？記録的な表面積を持つ多孔性結晶

MOFはどのように作られ、どのように機能するのか？