- MOFy posiadają rekordową na świecie wewnętrzną powierzchnię do około 7 000 m^2 na gram, a teoretyczne projekty sięgają 14 600 m^2/g.
- W ciągu około 20 lat naukowcy stworzyli prawie 90 000 unikalnych struktur MOF, a teoria przewiduje setki tysięcy kolejnych.
- MOFy to porowate, krystaliczne sieci zbudowane z metalicznych węzłów i organicznych łączników, tworzące regulowaną trójwymiarową sieć działającą jak molekularna gąbka.
- CALF-20, MOF na bazie cynku, może pochłaniać około jednej tony CO2 dziennie na metr sześcienny w warunkach przemysłowych.
- ZnH-MFU-4l to przełomowy MOF do wychwytywania CO2 w wysokiej temperaturze, który selektywnie wiąże CO2 z gorących spalin w około 300°C, wychwytując ponad 90 procent CO2.
- DCF-1, wprowadzony przez Decarbontek w połowie 2025 roku, to niskokosztowy MOF z tlenku cynku i kwasu cytrynowego, którego koszt na dużą skalę ma wynosić około 10 dolarów za kilogram.
- Svante testuje system sorbentu MOF CALF-20 w cementowni, zdolny do wychwytywania około 1 tony CO2 dziennie.
- MOF-303, aluminiowy MOF do pozyskiwania wody, umożliwił w 2023 roku w Dolinie Śmierci działanie ręcznego urządzenia odzyskującego około 85–90% zaadsorbowanej wody, dostarczając do 285 gramów na kilogram dziennie.
- Projekt EU MOST-H2, uruchomiony w 2022 roku, wykorzystuje AI do selekcji MOFów do magazynowania wodoru; do 2025 roku odnotowano postęp – przeskanowano ponad 10 000 struktur i uzyskano prototypy spełniające wymagania DOE w warunkach kriogenicznych.
- MIL-101(Cr) można rozszerzyć od około 2,5 nm do 5 nm poprzez obróbkę kwasem octowym, co pozwala na większe załadowanie ibuprofenu i 5-fluorouracylu oraz szybsze uwalnianie.
Przełom w zaawansowanych materiałach i zrównoważonym rozwoju
Wyobraź sobie materiał o tak dużej wewnętrznej powierzchni, że szczypta tego materiału zawiera równowartość sześciu boisk piłkarskich powierzchni news.berkeley.edu. Takie metal-organiczne szkielety (MOF) to porowate, krystaliczne związki zbudowane z metalowych węzłów połączonych organicznymi łącznikami, tworząc sieci przypominające gąbkę w skali molekularnej. Naukowcy zachwalają MOF-y jako mające „pozornie nieograniczone możliwości” budowania struktur na zamówienie o dostosowanych właściwościach cas.org. W ciągu ostatnich 20 lat badania nad MOF-ami eksplodowały – stworzono prawie 90 000 unikalnych struktur MOF (a w teorii przewiduje się setki tysięcy kolejnych) cas.org. Ten wzrost napędza obietnica, że MOF-y mogą rozwiązać kluczowe wyzwania w zakresie zrównoważonego rozwoju i technologii. Od wychwytywania dwutlenku węgla powodującego ocieplenie klimatu i magazynowania czystego wodoru, po dostarczanie leków i pozyskiwanie wody z pustynnego powietrza, MOF-y są gotowe napędzać przełomowe odkrycia w dziedzinach od energii i środowiska po biomedycynę cas.orgcas.org. W tym raporcie wyjaśniamy czym są MOF-y, jak działają i jak się je wytwarza oraz dlaczego są uważane za rewolucyjne. Przeanalizujemy główne zastosowania – w tym wychwytywanie dwutlenku węgla, magazynowanie wodoru, dostarczanie leków, czujniki i pozyskiwanie wody – podkreślając najnowsze przełomy naukowe, wdrożenia w rzeczywistych warunkach i opinie ekspertów. Przeglądając globalny krajobraz (USA, UE, Chiny i inne) oraz najnowsze osiągnięcia, zobaczymy, dlaczego MOF-y są postrzegane jako materiały przełomowe dla bardziej zrównoważonej przyszłości.
Czym są MOF-y? Porowate kryształy o rekordowych powierzchniach
Metal-organiczne szkielety (MOF-y) to niezwykła klasa materiałów skonstruowanych niczym molekularne klocki konstrukcyjne. Składają się z jonów metali lub klastrów, które pełnią rolę węzłów, połączonych ze sobą za pomocą cząsteczek organicznych (ligandów) jako łączników. Te elementy samoczynnie tworzą otwartą, klatkową sieć krystaliczną – zasadniczo powstaje trójwymiarowa porowata sieć utrzymywana przez wiązania koordynacyjne cas.org. Efektem jest krystaliczna gąbka: MOF-y charakteryzują się niezwykle wysoką porowatością i powierzchnią właściwą, co oznacza, że ich wnętrze jest pełne maleńkich wnęk i kanalików, do których mogą wnikać inne cząsteczki. W rzeczywistości MOF-y posiadają rekord świata pod względem powierzchni właściwej materiału – niektóre osiągają nawet ~7 000 m^2 na gram, a projekty teoretyczne przewidują do 14 600 m^2/g cas.org. Dla porównania, zaledwie jedna łyżka stołowa typowego MOF-u może mieć powierzchnię wewnętrzną wielkości kilku boisk piłkarskich, zapewniając mnóstwo miejsca do adsorpcji gazów lub innych cząsteczek news.berkeley.edu.
To ogromna wewnętrzna powierzchnia i możliwość regulacji struktury porów sprawiają, że MOF-y są tak wyjątkowe. Poprzez wymianę węzłów metalicznych lub łączników organicznych chemicy mogą tworzyć różne MOF-y o dostosowanych rozmiarach, kształtach i funkcjonalnościach chemicznych porów cas.org. Możliwa jest niemal każda kombinacja – jeden z pionierów tej dziedziny, profesor Omar Yaghi (który jako pierwszy zsyntezował MOF-y w latach 90.), zauważył, że otrzymano już dziesiątki tysięcy MOF-ów, a „setki tysięcy kolejnych” przewidują algorytmy cas.org. Ta modułowa strategia projektowania „retikularnego” oznacza, że naukowcy mogą praktycznie projektować materiały na zamówienie: na przykład MOF może być zaprojektowany tak, by preferencyjnie wychwytywać cząsteczki CO₂ lub świecić w obecności toksyny, po prostu wybierając odpowiednie elementy budulcowe. Minusem tej różnorodności jest wyzwanie – przy tak wielu możliwych strukturach trudno przewidzieć, który MOF najlepiej sprawdzi się w danym zadaniu cas.org. (Naukowcy coraz częściej wykorzystują AI i uczenie maszynowe do przeszukiwania baz danych MOF-ów i wskazywania najbardziej obiecujących kandydatów, do czego jeszcze wrócimy cas.org.)
Podsumowując, MOF jest jak ultracienka gąbka lub rusztowanie w skali nanometrów. Składa się z nieorganicznych i organicznych elementów połączonych w powtarzalną sieć krystaliczną, co daje w rezultacie materiał stały, który w większości stanowi pusta przestrzeń. Te puste pory mogą pomieścić cząsteczki gości. Co istotne, MOFy zazwyczaj pozostają trwałe nawet po usunięciu początkowych „gości” – rozpuszczalników – a pusta struktura pozostaje nienaruszona i porowata, gotowa do adsorpcji nowych cząsteczek i ich uwalniania w odpowiednich warunkach en.wikipedia.org. Ta odwracalna zdolność pochłaniania i uwalniania jest kluczowa dla zastosowań od magazynowania gazów po dostarczanie leków. Jak wyjaśnia dr Kurtis Carsch, chemik z UC Berkeley: „W wyniku swoich unikalnych struktur, MOFy mają dużą gęstość miejsc, w których można wychwytywać i uwalniać CO₂ w odpowiednich warunkach” news.berkeley.edu – lub analogicznie wychwytywać i uwalniać inne cząsteczki. W istocie MOFy oferują niespotykane dotąd połączenie dużej pojemności (dzięki ogromnej powierzchni), możliwości dostosowania (poprzez projektowanie chemiczne) i odwracalności, czyniąc z nich potężną platformę w nauce o materiałach.
Jak powstają MOFy i jak działają?
Synteza MOFu jest często łatwiejsza, niż sugeruje to jego złożona struktura. Zazwyczaj naukowcy rozpuszczają źródło metalu (np. sól metalu) i organiczny linker w rozpuszczalniku, a następnie inicjują krystalizację przez powolne mieszanie, podgrzewanie lub odparowywanie. Jony metalu i linkery spontanicznie koordynują się i krystalizują w uporządkowaną strukturę – tworząc kryształ MOFu podobnie jak kandyzowany cukier wytrąca się z roztworu cukru, ale w skali molekularnej. Wiele MOFów powstaje metodą solvotermalną (podgrzewanie składników w zamkniętym naczyniu), choć nowsze techniki obejmują syntezę wspomaganą mikrofalami, suszenie rozpyłowe, a nawet mechaniczne mielenie bez rozpuszczalnika. Co niezwykłe, MOFy często mogą samoczynnie się organizować w stosunkowo łagodnych warunkach. Na przykład niedawno opracowany MOF do wychwytywania węgla, nazwany DCF-1, jest syntezowany po prostu przez zmieszanie tlenku cynku z kwasem cytrynowym w wodzie – „bezpieczna, zrównoważona i opatentowana metoda”, która pozwala uzyskać wydajny MOF tanim kosztem businesswire.com. Pokazuje to, jak naukowcy udoskonalają metody produkcji, by obniżyć koszty i unikać szkodliwych chemikaliów. Kryształy MOF mogą mieć rozmiary od nanometrów do milimetrów i zwykle są przetwarzane na proszki lub formowane w granulki i membrany do praktycznego zastosowania.
Jak działają MOFy sprowadza się do adsorpcji i selektywności. Ich pory działają jak miniaturowe schowki magazynowe lub pułapki na cząsteczki. Gdy MOF jest wystawiony na działanie gazu lub cieczy, docelowe cząsteczki mogą wnikać do porów i przylegać do wewnętrznych powierzchni (poprzez siły van der Waalsa, oddziaływania chemiczne w określonych miejscach itp.). Ponieważ MOFy mają ogromną powierzchnię wewnętrzną i często grupy chemiczne wiążące określone cząsteczki, mogą pochłaniać zadziwiające ilości. Na przykład jeden MOF (CALF-20, struktura oparta na cynku) może pochłonąć około jednej tony CO₂ dziennie na metr sześcienny materiału w warunkach przemysłowych businesswire.com – zasadniczo działa jak gigantyczna gąbka na dwutlenek węgla. Jednak adsorpcja jest zazwyczaj odwracalna: poprzez zmianę warunków (podgrzewanie MOFu, obniżenie ciśnienia lub przepłukanie innym gazem), uwięzione cząsteczki są uwalniane (desorbowane), a MOF jest regenerowany do kolejnego cyklu news.berkeley.edu. Ten cykliczny proces wychwytywania i uwalniania jest kluczowy dla zastosowań takich jak wychwyt dwutlenku węgla czy magazynowanie gazów, gdzie MOF musi być wielokrotnie używany. W przykładzie wychwytu CO₂, gdy MOF jest nasycony CO₂, „CO₂ można usunąć poprzez obniżenie jego ciśnienia cząstkowego – albo przez przepłukanie innym gazem, albo przez zastosowanie próżni. MOF jest wtedy gotowy do ponownego użycia w kolejnym cyklu adsorpcji” news.berkeley.edu.
Wewnętrzna chemia każdego MOFu może być dostrojona tak, by preferować określone cząsteczki nad innymi, co czyni je wysoce selektywnymi. Niektóre MOFy mają otwarte miejsca metaliczne lub grupy funkcyjne w porach, które działają jak haczyki na konkretne gazy. Inne są „ozdobione” cząsteczkami (takimi jak aminy lub miejsca z miedzią), które reagują z celem (np. CO₂). Ta możliwość dostrajania to ogromna zaleta – w przeciwieństwie do tradycyjnych materiałów porowatych (np. węgiel aktywny czy zeolity), które mają stałe właściwości, MOFy można projektować na zamówienie. „Ich regulowane właściwości to kluczowy czynnik,” zauważa raport CAS Insights, „wysoka powierzchnia właściwa i porowatość w połączeniu z regulowaną chemią dają MOFom zdolność adsorpcji gazów i lotnych związków, co budzi ogromne zainteresowanie w separacji i magazynowaniu gazów, szczególnie CO₂” cas.org. Krótko mówiąc, MOFy działają poprzez selektywne wychwytywanie cząsteczek w swoich nanoporach – trochę jak sito lub filtr zbudowany z cząsteczek – i mogą później uwolnić ładunek po odpowiednim bodźcu. Ta prosta koncepcja stanowi podstawę różnorodnych zastosowań, o których będziemy mówić: od usuwania CO₂ ze spalin, przez gęstsze magazynowanie wodoru, po przenoszenie cząsteczek leków w krwiobiegu.
Główne zastosowania MOFów
Unikalne, gąbczaste właściwości MOF-ów sprawiają, że są one przydatne w zaskakująco szerokim zakresie zastosowań. Poniżej przedstawiamy niektóre z najbardziej wpływowych zastosowań rozwijanych obecnie – wraz z najnowszymi przełomami i przykładami w każdej dziedzinie.
Wyłapywanie dwutlenku węgla i łagodzenie zmian klimatu
Jednym z najpilniejszych zastosowań MOF-ów jest wychwytywanie dwutlenku węgla z gazów spalinowych elektrowni lub nawet bezpośrednio z powietrza. Ograniczenie emisji CO₂ jest kluczowe w walce ze zmianami klimatu, a MOF-y stają się „jednymi z najbardziej obiecujących materiałów do wychwytywania dwutlenku węgla”, ponieważ mogą pochłaniać CO₂ z większą wydajnością i niższym zużyciem energii niż tradycyjne metody ccarbon.info. Tradycyjna technologia wychwytywania dwutlenku węgla wykorzystuje ciekłe roztwory amin do wiązania CO₂, ale aminy są żrące, wymagają dużo energii do regeneracji i zazwyczaj działają tylko w stosunkowo niskich temperaturach (około 40–60 °C). Jednak wiele przemysłowych gazów spalinowych jest znacznie gorętszych (spaliny z cementowni i hut stali mogą przekraczać 200–300 °C), co utrudnia i podraża wychwytywanie dwutlenku węgla, ponieważ gazy te muszą być najpierw schłodzone news.berkeley.edu. MOF-y oferują potencjalny przełom: można je zaprojektować tak, by wychwytywały CO₂ nawet w trudnych warunkach, a następnie uwalniały go przy umiarkowanym podgrzaniu lub zmianie ciśnienia, zużywając ogółem znacznie mniej energii niż pochłaniacze aminowe ccarbon.info.
Pod koniec 2024 roku chemicy z UC Berkeley poinformowali o przełomowym MOF, który może wychwytywać CO₂ z gorących gazów spalinowych bez wcześniejszego schładzania. Materiał ten, znany jako ZnH-MFU-4l, zawiera miejsca z wodorkiem cynku wewnątrz porów, które silnie wiążą CO₂ w wysokich temperaturach. „Odkryliśmy, że MOF może wychwytywać dwutlenek węgla w niespotykanie wysokich temperaturach – temperaturach istotnych dla wielu procesów emitujących CO₂,” powiedział dr Kurtis Carsch, współpierwszy autor badania. „To było coś, co wcześniej uważano za niemożliwe dla materiału porowatego.” news.berkeley.edu W warunkach symulowanych spalin ten MOF był w stanie selektywnie wychwytywać CO₂ w temperaturze około 300 °C (typowej dla gazów spalinowych z cementowni/hut) i wychwycić ponad 90% CO₂ w strumieniu („głębokie wychwytywanie węgla”), dorównując wydajnością ciekłym aminom news.berkeley.edu. Tak wysoka temperatura pracy eliminuje potrzebę zużywania energii i wody na schładzanie emisji news.berkeley.edu, co potencjalnie może umożliwić wychwytywanie węgla w „trudnych do dekarbonizacji” branżach, takich jak stalownictwo i produkcja cementu. „Ponieważ entropia sprzyja obecności cząsteczek takich jak CO₂ w fazie gazowej coraz bardziej wraz ze wzrostem temperatury, ogólnie uważano, że wychwytywanie takich cząsteczek przez porowaty materiał w temperaturach powyżej 200 °C jest niemożliwe,” zauważył profesor Jeffrey Long, który kierował badaniami. „Ta praca pokazuje, że przy odpowiedniej funkcjonalności… wychwytywanie CO₂ o dużej pojemności rzeczywiście można osiągnąć w 300 °C.” news.berkeley.edu Odkrycie to otwiera nowy kierunek projektowania (wykorzystanie miejsc z wodorkami metali w MOF-ach) dla materiałów do wychwytywania węgla nowej generacji news.berkeley.edu.MOF-y błyszczą także w bardziej konwencjonalnych rolach wychwytywania CO₂. Zainteresowanie startupów i korporacji gwałtownie wzrosło: ExxonMobil złożył patenty na technologie MOF do wychwytywania węgla cas.org, a naukowcy z KAUST w Arabii Saudyjskiej opatentowali MOF-y do wychwytywania CO₂ i separacji gazów cas.org. Liczne startupy ścigają się, by skomercjalizować filtry CO₂ oparte na MOF-ach. Na przykład, Nuada (startup z UE) bada systemy MOF, które mają pomóc producentom cementu wychwytywać CO₂ ze spalin cas.org. Inna firma, Mosaic Materials, opracowała MOF z funkcjonalizacją aminową do wychwytywania CO₂, który okazał się tak obiecujący, że został przejęty przez firmę technologiczną z branży energetycznej Baker Hughes w 2022 roku w celu wdrożenia na większą skalę news.berkeley.edu. MOF firmy Mosaic jest testowany w pilotażach jako alternatywa dla ciekłych amin, a nawet do bezpośredniego wychwytywania CO₂ z powietrza news.berkeley.edu.W połowie 2025 roku Decarbontek, Inc. ogłosiła, że komercyjnie produkuje adsorbent MOF do wychwytywania dwutlenku węgla. Firma wprowadziła na rynek DCF-1 (De-Carbon Framework-1), określając go jako „przełomowy, niedrogi, wysokowydajny MOF zaprojektowany do skalowalnego wychwytywania dwutlenku węgla”, dostępny teraz w sprzedaży na kilogramy ccarbon.info. „Wraz z wprowadzeniem DCF-1 ustanawiamy nowy standard dla materiałów do wychwytywania dwutlenku węgla”, powiedział dr Yong Ding, prezes Decarbontek. „Jest opłacalny, łatwy w produkcji i bardzo wydajny – co sprawia, że wychwytywanie dwutlenku węgla staje się dostępne dla różnych branż.” businesswire.com DCF-1 można produkować tanio (z użyciem powszechnie dostępnego tlenku cynku i kwasu cytrynowego) i ma kosztować około 10 dolarów za kilogram przy produkcji na dużą skalę, „porównywalnie do popularnych sit molekularnych”, według Dinga businesswire.com. To istotne, ponieważ MOF-y od dawna były postrzegane jako zbyt drogie do masowego zastosowania; tani, łatwy w produkcji MOF mógłby usunąć główną barierę wdrożenia ccarbon.info. Materiał ten podobno łączy wysoką zdolność pochłaniania CO₂ z nietoksycznym, opartym na wodzie procesem produkcji, co czyni go idealnym do modernizacji fabryk lub nawet wychwytywania CO₂ z powietrza businesswire.com. Produkt Decarbontek i inne podobne podkreślają, jak technologia MOF przechodzi z laboratoriów na rynek w dziedzinie wychwytywania dwutlenku węgla.Być może najbardziej namacalnym znakiem postępu są projekty pilotażowe: Svante, kanadyjska firma, wykorzystuje sorbent MOF (CALF-20, produkowany przez BASF) w systemie demonstracyjnym, który wychwytuje około 1 tonę CO₂ dziennie z gazów spalinowych cementowni businesswire.com. Ten test w rzeczywistych warunkach pokazuje, że MOF-y mogą obsługiwać przemysłowe strumienie gazów i faktycznie działać w terenie. Takie osiągnięcia sugerują, że MOF-y mogą wkrótce odegrać kluczową rolę w globalnych działaniach na rzecz wychwytywania, wykorzystania i składowania dwutlenku węgla (CCUS), pomagając przemysłowi ograniczyć emisje CO₂. Biorąc pod uwagę, że wychwytywanie dwutlenku węgla jest kluczowe dla łagodzenia zmian klimatu (zwłaszcza w sektorach, które nie mogą łatwo się zelektryfikować), MOF-y są powszechnie postrzegane jako przełomowy „cudowny materiał” dla dekarbonizacji news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Dzięki wyższej wydajności i niższym kosztom energetycznym, wychwytywanie dwutlenku węgla oparte na MOF-ach może umożliwić szersze wdrożenie CCUS – ważny pomost do przyszłości neutralnej klimatycznie, podczas gdy odnawialne źródła energii będą się rozwijać. Podsumowując, MOF-y dostarczają potężnego nowego zestawu narzędzi do ujarzmiania CO₂, od kominów fabrycznych po otwarte powietrze, dlatego właśnie ten obszar zastosowań pozostaje najgorętszym tematem badań i komercjalizacji MOF-ów.
Magazynowanie wodoru i czysta energia
Jeśli MOF-y mogą pomóc usuwać węgiel z naszych obecnych systemów energetycznych, są również gotowe umożliwić czyste nośniki energii, takie jak wodór w przyszłości. Wodór (H₂) to obiecujące paliwo bezemisyjne (jego spalanie wytwarza jedynie wodę), ale efektywne magazynowanie wodoru stanowi duże wyzwanie – H₂ to gaz o bardzo niskiej gęstości, a jego sprężanie lub skraplanie jest energochłonne i wymaga ciężkich zbiorników. MOF-y oferują sposób na magazynowanie wodoru w zwartej, bezpiecznej formie poprzez adsorpcję. Zasadniczo gazowy wodór może być ładowany do porów MOF-u z dużą gęstością (zwłaszcza w niższych temperaturach), niczym jajka w wytłaczance, a następnie uwalniany w razie potrzeby. Amerykański Departament Energii i inne instytucje ustaliły cele dla materiałów do magazynowania wodoru (pod względem procentowej zawartości wagowej i objętości magazynowanego H₂), a niektóre MOF-y zbliżyły się do tych celów lub je przekroczyły w temperaturach kriogenicznych.
W Europie trwają skoordynowane działania mające na celu wykorzystanie MOF-ów do magazynowania wodoru. Finansowany przez UE projekt MOST-H2 (rozpoczęty w 2022 r.) opracowuje systemy magazynowania wodoru metodą krioadsorpcji z wykorzystaniem zaawansowanych MOF-ów cordis.europa.eu. W krioadsorpcji gazowy wodór jest schładzany (zwykle do temperatury ciekłego azotu, ok. 77 K) i adsorbowany na porowatym materiale, co pozwala uzyskać wysoką gęstość bez konieczności stosowania ekstremalnych ciśnień. „Tajną bronią projektu jest specjalna klasa porowatych materiałów krystalicznych zwanych MOF-ami,” które są formowane w monolityczne adsorbenty MOF o optymalnej kombinacji pojemności objętościowej i masowej cordis.europa.eu. Do 2025 roku badacze MOST-H2 zgłosili „znaczący postęp” – połączyli selekcję opartą na AI z eksperymentami, aby zidentyfikować nowe związki MOF, które przewyższają powszechnie akceptowane cele zarówno dla masowej, jak i objętościowej pojemności magazynowania wodoru cordis.europa.eu. Te przełomowe osiągnięcia zostały zabezpieczone zgłoszeniami patentowymi cordis.europa.eu, co podkreśla ich nowatorski charakter. W praktyce prototypy MOF zespołu mogą gęsto magazynować wodór w warunkach kriogenicznych, w materiałach, które są łatwe i bezpieczne w obsłudze (bez ekstremalnie wysokich ciśnień) i mają „bardzo mały ślad środowiskowy” cordis.europa.eu. Ostatecznym celem jest integracja tych MOF-ów w pełne „od laboratorium do zbiornika” rozwiązanie magazynowania wodoru dla zastosowań takich jak pojazdy napędzane wodorem (projekt analizuje studia przypadków dla pociągów wodorowych w Austrii i Włoszech) cordis.europa.eu.Jednym z godnych uwagi aspektów tych działań jest wykorzystanie uczenia maszynowego do przyspieszenia odkryć. Projekt MOST-H2 opracował narzędzie AI do przewidywania, które struktury MOF będą optymalne do magazynowania wodoru, tworząc „solidną bazę danych wysoko wydajnych materiałów” i pokazując, jak metody obliczeniowe mogą zmienić rozwój MOF cordis.europa.eu. Poprzez wirtualne przesianie ponad 10 000 struktur MOF, a następnie testowanie najlepszych kandydatów w laboratorium, zespół był w stanie zidentyfikować kilku czołowych „wykonawców”, których natychmiast opatentowano cordis.europa.eu. Takie podejście znacznie ogranicza prób i błędów, które zwykle są potrzebne w badaniach i rozwoju materiałów. W rezultacie MOFy z tego projektu są na dobrej drodze, by spełnić lub przekroczyć rygorystyczne cele magazynowania wymagane dla praktycznych zbiorników paliwa, pozostając jednocześnie opłacalne i stabilne przez wiele cykli cordis.europa.eu. Projekt zbiornika opartego na MOF jest również optymalizowany przy użyciu zaawansowanego modelowania wymiany ciepła i masy oraz analizy cyklu życia, aby zapewnić możliwość jego skalowania i integracji z rzeczywistymi pojazdami cordis.europa.eu.
Poza tym projektem, inni naukowcy wykazali, że MOFy mogą magazynować imponujące ilości wodoru. Na przykład MOF-74 (dobrze znana struktura) może absorbować więcej wodoru niż jakikolwiek nieciśnieniowy zbiornik w 77 K, co wskazuje na potencjał MOFów do usunięcia wąskiego gardła w magazynowaniu wodoru innovations-report.com. Ogólna strategia polega na pracy w pobliżu temperatur kriogenicznych – co może wydawać się energochłonne, ale techniki takie jak sprytna izolacja lub wykorzystanie „darmowego” chłodzenia z odparowania ciekłego wodoru mogą to umożliwić. Efektem byłyby lekkie, wysokopojemne zbiorniki na wodór do samochodów, autobusów lub samolotów z ogniwami paliwowymi, które nie wymagają kompresji do 700 barów ani bardzo ciężkich zbiorników. Takie zbiorniki mogłyby być „stałymi” bateriami wodorowymi, w których granulki MOF bezpiecznie przechowują wodór pod umiarkowanym ciśnieniem. Naukowcy badają także MOFy do magazynowania wodoru w temperaturze pokojowej, choć żaden materiał nie spełnia jeszcze wszystkich wymagań DOE w warunkach otoczenia.
Podsumowując, MOF-y znajdują się na czele rozwiązywania problemu magazynowania wodoru. Działają jak nano-gąbki, które gęsto upakowują cząsteczki wodoru poprzez adsorpcję, pozwalając na zmieszczenie większej ilości wodoru w danej objętości przy danym ciśnieniu. Obecne MOF-y w połączeniu z chłodzeniem kriogenicznym wykazały rekordowe pojemności – przekraczające to, co ciekły wodór może osiągnąć na jednostkę objętości w niektórych przypadkach – co może umożliwić pojazdom napędzanym wodorem dalszą jazdę na jednym zbiorniku i szybsze tankowanie. Przy globalnym zainteresowaniu wodorem jako czystym nośnikiem energii (dla transportu, magazynowania energii w sieci i przemysłu), takie postępy jak zbiorniki oparte na MOF-ach są kluczowe. Fakt, że składane są patenty i finansowane wieloletnie projekty w UE i innych miejscach, świadczy o zaufaniu, że MOF-y odegrają kluczową rolę w gospodarce wodorowej. Jak ujęto to w jednym z raportów UE, te innowacyjne materiały obiecują „tanie, wydajne i przyjazne środowisku rozwiązania do magazynowania wodoru” dla celów klimatycznych Europy cordis.europa.eu – stwierdzenie to znajduje oddźwięk na całym świecie, gdy państwa inwestują w infrastrukturę H₂.Dostarczanie leków i zastosowania biomedyczne
MOF-y nie służą tylko energii i środowisku – robią także furorę w biomedycynie jako nowatorskie systemy dostarczania leków i środki obrazujące. W kontekście farmaceutycznym MOF-y mogą działać jako nośniki terapeutycznych cząsteczek w skali nano. Chodzi o to, że lek (którym może być mała cząsteczka, białko, a nawet kwas nukleinowy) może zostać załadowany do porów MOF-u, a następnie przetransportowany przez organizm, chroniony przez klatkę MOF-u. Porowata struktura może czasem chronić lek przed przedwczesnym rozkładem, kierować jego uwalnianie do określonego miejsca lub umożliwiać powolne, kontrolowane uwalnianie w czasie. MOF-y można nawet zaprojektować tak, by reagowały na bodźce (takie jak pH lub światło), wyzwalając uwalnianie leku na żądanie jnanobiotechnology.biomedcentral.com. To dynamicznie rozwijający się obszar badań w nanomedycynie.
Jedną z zalet MOF-ów jest ich wysoka pojemność załadunku – dzięki ogromnej powierzchni mogą przenosić dużo leku w stosunku do swojej masy. Ponadto wiele MOF-ów można wytwarzać z biokompatybilnych składników (np. węzły cynkowe lub żelazowe z jadalnymi kwasami organicznymi), co oznacza, że mogą się rozkładać w organizmie do nietoksycznych produktów ubocznych cas.org. W rzeczywistości niektóre MOF-y są przyjazne biologicznie i biodegradowalne, co czyni je atrakcyjnymi do zastosowań w organizmach żywych cas.org. Naukowcy ukuli termin „nano-MOF-y” dla bardzo małych cząstek MOF (zazwyczaj 50–200 nanometrów) zaprojektowanych do wstrzykiwania do krwiobiegu lub dostarczania do komórek axial.acs.org. Kilka z tych nano-MOF-ów przeszło do badań klinicznych nad terapią nowotworów axial.acs.org – na przykład jako nośniki leków chemioterapeutycznych lub w celu zwiększenia skuteczności radioterapii. Pokazuje to rzeczywisty potencjał MOF-ów jako platformy w medycynie.Niedawne badanie z 2024 roku wykazało, jak prosta modyfikacja chemiczna może poprawić wydajność dostarczania leków przez MOF. Naukowcy z University of Miami wzięli dobrze znany MOF o nazwie MIL-101(Cr) (szkielet na bazie chromu z dużymi porami) i skutecznie „napompowali go” poprzez dodatkowy etap syntezy acs.org. Potraktowali kryształy MOF odrobiną kwasu octowego (podobnego do octu), aby zwiększyć rozmiar porów z około 2,5 nm do 5 nm, zwiększając powierzchnię wewnętrzną acs.org. Te „zwiększone pory” cząstki MOF zostały następnie załadowane dwoma modelowymi lekami – ibuprofenem (lek przeciwzapalny) i 5-fluorouracylem (lek stosowany w chemioterapii) – aby przetestować pojemność i kinetykę uwalniania. Wyniki były uderzające: „Napompowane MOFy zawierały więcej ibuprofenu lub leku chemioterapeutycznego w porównaniu z oryginalną wersją i wykazywały lepszą wydajność jako potencjalny nośnik leków.” acs.org Ponieważ pory były większe, więcej cząsteczek leku mogło się zmieścić w środku, i rzeczywiście zmodyfikowany MOF absorbował większą ilość obu leków niż niemodyfikowany MIL-101 acs.org. Co więcej, w eksperymentach z uwalnianiem, MOF o rozszerzonych porach uwalniał leki znacznie szybciej niż oryginał, dzięki większym otworom działającym jak szerokie „drzwi” dla wychodzących cząsteczek acs.org. Szybsze uwalnianie może być korzystne dla szybkiego osiągnięcia poziomów terapeutycznych, podczas gdy kontrolowane, powolne uwalnianie można uzyskać innymi modyfikacjami. Naukowcy postrzegają tę prostą metodę płukania kwasem jako sposób na dostosowanie profili dostarczania leków przez MOF do różnych potrzeb acs.org. Jak zauważają, „proste zmiany, takie jak te, mogą zmaksymalizować skuteczność MOF w przyszłych zastosowaniach związanych z dostarczaniem leków”, a trwające prace badają, jak osiągnąć powolne, długotrwałe uwalnianie w określonych ramach czasowych poprzez dostosowanie struktur porów acs.org.To tylko jeden z wielu przykładów. Inne badania wykazały, że MOF-y mogą przenosić kombinacje leków, chronić delikatne biomolekuły, takie jak białka lub RNA, a nawet umożliwiać celowaną dostawę do guzów (poprzez dołączanie ligandów celujących do MOF-u). Ponieważ można dowolnie łączyć centra metaliczne, naukowcy odkryli, że wybór metalu może wpływać na tempo uwalniania – na przykład jedno z badań wykazało, że MOF-y z magnezem uwalniały testowy lek szybciej niż te z cyrkonem, co sugeruje, że bardziej rozpuszczalne węzły metaliczne prowadzą do szybszej degradacji struktury i uwalniania leku axial.acs.org. Takie obserwacje kierują projektowaniem MOF-ów do „uwalniania leków na żądanie” i teranostyki (terapia + diagnostyka). Co istotne, MOF-y mogą również służyć jako środki kontrastujące lub sondy obrazujące; niektóre zawierają luminescencyjne lantanowce lub izotopy promieniotwórcze do śledzenia, a inne wzmacniają sygnały MRI. Właściwości luminescencyjne niektórych MOF-ów umożliwiły nawet stworzenie biosensorów, które mogą wykrywać biomarkery lub toksyny środowiskowe poprzez zmianę fluorescencji cas.org – zacierając granicę między dostarczaniem leków a detekcją.Co istotne, wstępne badania bezpieczeństwa wskazują, że odpowiednio sformułowane MOF-y mogą być nietoksyczne i biodegradowalne w organizmie cas.org. Na przykład MOF-y z żelaza lub cynku z łącznikami dopuszczonymi do żywności mogą rozkładać się do składników odżywczych lub być wydalane. Ta biokompatybilność, w połączeniu z dużą pojemnością ładunku i wszechstronnością, sprawiła, że eksperci okrzyknęli MOF-y „obiecującą nową klasą inteligentnych nośników leków” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Chociaż żaden lek oparty na MOF nie trafił jeszcze na rynek, trwające badania kliniczne sugerują, że to tylko kwestia czasu. W niedalekiej przyszłości nanocząstki MOF mogą dostarczać chemioterapię bardziej bezpośrednio do komórek nowotworowych, zmniejszając skutki uboczne, lub działać jako „nano-odtrutki”, które pochłaniają toksyczne substancje w organizmie. Dynamika badań jest silna – jeden z przeglądów naliczył dziesiątki systemów dostarczania leków opartych na MOF-ach dla raka, HIV, cukrzycy i innych schorzeń będących w fazie badań pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Jeśli te wysiłki zakończą się sukcesem, MOF-y mogą zapoczątkować nową erę medycyny precyzyjnej, gdzie leczenie to nie tylko cząsteczka leku, ale także inteligentny nośnik, który ją dostarcza.
Czujniki i detekcja
Dzięki możliwości regulacji ich chemii oraz często wrodzonej luminescencji, MOF-y stały się potężnymi składnikami czujników chemicznych. Nawet niewielka zmiana w strukturze MOF-u – na przykład związanie cząsteczki gościa lub przeniesienie elektronu – może przełożyć się na wykrywalny sygnał optyczny lub elektryczny. Dzięki temu MOF-y doskonale nadają się do wykrywania śladowych ilości związków w środowisku, żywności, a nawet w ludzkim ciele. Naukowcy stworzyli czujniki oparte na MOF-ach dla szerokiego zakresu celów: jonów metali ciężkich, materiałów wybuchowych (takich jak opary TNT), niebezpiecznych gazów przemysłowych oraz biomarkerów chorób, by wymienić tylko kilka sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Jednym z popularnych podejść są luminescencyjne MOF-y (często nazywane LMOF-ami). Są to MOF-y, które naturalnie fluorescencyjne lub fosforyzujące, albo domieszkowane cząsteczkami/ jonami metali o właściwościach fluorescencyjnych. Gdy docelowy analit wnika do porów MOF-u, może to spowodować zmianę luminescencji – na przykład jej wygaszenie, wzmocnienie lub zmianę koloru. Przykładowo, niektóre MOF-y zawierające metale lantanowców emitują jasny sygnał, który może być selektywnie wygaszany przez określone substancje chemiczne, co pozwala na ich wykrycie w bardzo niskich stężeniach pubs.rsc.org. Istnieją MOF-y działające jako czujniki typu „włącz/wyłącz” dla jonów metali, takich jak glin (świecą tylko po związaniu jonu) pubs.acs.org, lub jako czujniki zmieniające kolor w zależności od pH lub obecności tlenu. Ponieważ MOF-y mają strukturę modułową, projektanci czujników mogą wbudować miejsca rozpoznające bezpośrednio w ich strukturę. Wyobraź sobie MOF z kieszeniami wiążącymi idealnie dopasowanymi do cząsteczki zanieczyszczenia – po jej wychwyceniu następuje transfer elektronu lub energii, co powoduje przygaszenie lub zmianę koloru luminescencji MOF-u. Taka specyficzność jest bardzo ceniona w detekcji.
Kluczową zaletą czujników MOF jest to, że mogą być wyjątkowo czułe i selektywne, a jednocześnie stabilne. MOF-y często mogą działać w różnych środowiskach (niektóre są stabilne w wodzie, co umożliwia detekcję w środowisku wodnym). Naukowcy opracowali nawet czujniki MOF, które potrafią wykrywać biomarkery w złożonych płynach, takich jak mocz czy krew, filtrując i wychwytując cel w jednym kroku sciencedirect.com. Kolejnym ekscytującym kierunkiem są elektrochemiczne czujniki MOF: przewodzące MOF-y lub ich kompozyty mogą generować odpowiedź prądową po adsorpcji gazu lub pary, działając jak nowy rodzaj „elektronicznego nosa” orcasia.org.
Co ważne, wiele MOF-ów jest zbudowanych ze stosunkowo nieszkodliwych składników, więc ich użycie w czujnikach konsumenckich lub biomedycznych jest możliwe. Analityk CAS zauważył, że MOF-y mogą być świetne jako biosensory, ponieważ niektóre z nich są „niskotoksyczne i biodegradowalne”, zwłaszcza te stosowane w detekcji opartej na luminescencji cas.org. Oznacza to, że sonda pokryta MOF-em może pewnego dnia być używana in vivo (wewnątrz ciała) do monitorowania warunków, a cząstki MOF mogą być częścią testu diagnostycznego, który bezpiecznie rozpuszcza się po użyciu. Już teraz czujniki MOF zostały przetestowane do wykrywania takich rzeczy jak toksyczne metale ciężkie w wodzie (MOF fluorescencyjny w obecności rtęci lub ołowiu) pubs.acs.org, zanieczyszczenia żywności (pestycydy lub antybiotyki powodujące zmianę emisji MOF-u) sciencedirect.com, a nawet jako czujniki do noszenia do analizy oddechu.
Przykładem rozwijanym obecnie jest czujnikowy układ MOF do wykrywania materiałów wybuchowych i środków chemicznych do walki. Dzięki zastosowaniu wielu MOF-ów, z których każdy jest dostrojony do reagowania na różne kształty chemiczne, układ może wytworzyć unikalny „odcisk palca” dla danej substancji (podobnie jak nasz nos rozróżnia zapachy). Inny przykład: naukowcy stworzyli luminescencyjny czujnik MOF, który może szybko wykryć zepsutą żywność poprzez detekcję par amin z rozkładu mięsa, dając zmianę koloru jako wskaźnik sciencedirect.com. Te kreatywne rozwiązania pokazują, jak MOF-y mogą przyczyniać się do zdrowia publicznego i bezpieczeństwa.
Krótko mówiąc, MOF-y wnoszą wysoką czułość, możliwość dostosowania i stabilność do technologii czujników. W niektórych przypadkach mogą wykrywać cząsteczki na poziomie części na miliard, a ich reakcja może być zaprojektowana tak, by była łatwa do odczytania (zmiana koloru widoczna gołym okiem lub zmiana prądu/napięcia dla elektronicznego odczytu). W miarę jak normy monitorowania środowiska i bezpieczeństwa żywności stają się coraz bardziej rygorystyczne, czujniki MOF mogą znaleźć szerokie zastosowanie dzięki połączeniu precyzji i praktyczności. Fakt, że MOF-y mogą być wytwarzane w postaci cienkich warstw lub proszków pokrywających urządzenia, oznacza, że integracja z elektroniką czujnikową jest całkiem możliwa. Firmy i laboratoria badawcze na całym świecie aktywnie opatentowują projekty czujników MOF cas.orgcas.org, co wskazuje, że wkrótce możemy zobaczyć komercyjne produkty czujnikowe wykorzystujące technologię MOF – od inteligentnych czujników kuchennych wykrywających psucie się żywności, po przenośne detektory jakości powietrza i zagrożeń bezpieczeństwa. To dynamiczna dziedzina, w której chemia spotyka się z inżynierią, a MOF-y są na czele rozwoju technologii umożliwiających coraz dokładniejsze i precyzyjniejsze pomiary naszego świata.
Pozyskiwanie wody i technologie czystej wody
Być może jednym z najbardziej futurystycznie brzmiących zastosowań MOF-ów – a jednak już zademonstrowanym w rzeczywistości – jest pozyskiwanie wody pitnej z powietrza. Pozyskiwanie wody z atmosfery to technologia, której celem jest wydobycie wilgoci z powietrza (nawet w suchych, pustynnych klimatach), aby zapewnić świeżą wodę. Tradycyjne osuszacze lub siatki do zbierania mgły wymagają stosunkowo wilgotnego powietrza lub dużych ilości energii. Jednak MOF-y wykazały zdolność do wychwytywania wody z niezwykle suchego powietrza (przy wilgotności względnej nawet 10–20%) i następnie uwalniania jej przy minimalnym nakładzie energii, co czyni je idealnymi do zastosowania w niezależnych od sieci generatorach wody na obszarach dotkniętych suszą.
Koncepcja ta została zapoczątkowana przez profesora Omara Yaghi (wynalazcę MOF-ów) i jego współpracowników. W 2017 roku po raz pierwszy opisali MOF (MOF-801), który potrafił pozyskiwać wodę z pustynnego powietrza, wykorzystując jedynie energię słoneczną. Przeskakując do roku 2023, technologia ta poczyniła ogromny postęp. Naukowcy z UC Berkeley zaprezentowali przenośne urządzenie do pozyskiwania wody z użyciem MOF-ów, które zostało przetestowane w Dolinie Śmierci – jednym z najsuchszych i najgorętszych miejsc na Ziemi. Urządzenie, wielkości małego plecaka i zasilane wyłącznie światłem słonecznym, wielokrotnie przeprowadzało cykle wychwytywania wody w nocy i uwalniania jej w postaci cieczy w ciągu dnia. „Testy te wykazały, że urządzenie może zapewnić czystą wodę w dowolnym miejscu” – poinformował zespół, nazywając to pilnym rozwiązaniem, ponieważ „zmiany klimatu pogłębiają warunki suszy.” cdss.berkeley.edu Oparty na MOF-ach zbieracz był w stanie pozyskiwać wilgoć z powietrza o wilgotności nawet 10% i produkować do 285 gramów wody na kilogram MOF-u dziennie w terenie cdss.berkeley.edu. (~285 g to mniej więcej jedna szklanka wody; testy laboratoryjne w idealnych warunkach dają jeszcze lepsze wyniki.) Co imponujące, robił to przy użyciu braku jakiegokolwiek zewnętrznego źródła energii poza światłem słonecznym, co oznacza zero emisji gazów cieplarnianych lub potrzeby użycia prądu cdss.berkeley.edu. Jest to możliwe, ponieważ MOF najpierw adsorbuje parę wodną z chłodnego nocnego powietrza; następnie dzienne słońce podgrzewa MOF, powodując uwolnienie wody w postaci pary, która jest skraplana do postaci cieczy w kolektorze. MOF może pracować przez wiele cykli bez utraty wydajności i można go regenerować po prostu przez wysuszenie, co czyni go trwałą „gąbką na wodę” do długotrwałego użytku cdss.berkeley.edu.
MOF użyty w najnowszym urządzeniu to aluminiowa struktura (nazywana MOF-303), która ma silne powinowactwo do wody, ale także uwalnia ją w umiarkowanych temperaturach (~80°C). Ten MOF został wybrany ze względu na wyjątkową wydajność: potrafi pozyskiwać wodę nawet w ekstremalnie suchych warunkach i jest stabilny przez tysiące cykli businesswire.com. W rzeczywistości MOF-303 został pomyślnie przetestowany w Dolinie Śmierci, co potwierdziło jego praktyczne zastosowanie w ekstremalnych środowiskach businesswire.com. Podczas testów urządzenie osiągnęło odzysk wody na poziomie około 85–90% zaadsorbowanej wody w każdym cyklu cdss.berkeley.edu, co oznacza, że bardzo niewiele wychwyconej wilgoci zostało utracone. Dr Yaghi, który kierował badaniami opublikowanymi w Nature Water (lipiec 2023), podkreślił wagę problemu: „Prawie jedna trzecia światowej populacji żyje na obszarach dotkniętych deficytem wody. ONZ przewiduje, że do 2050 roku prawie 5 miliardów ludzi doświadczy niedoboru wody… To bardzo istotne w kontekście pozyskiwania nowego źródła wody.” cdss.berkeley.edu. Wykorzystując ogromny rezerwuar wody w atmosferze (nawet na pustyniach powietrze zawiera pewną ilość wilgoci), urządzenia MOF oferują kuszące nowe źródło wody, które jest zdecentralizowane i zrównoważone. W przeciwieństwie do dużych zakładów odsalania (które wymagają energii elektrycznej i wody morskiej), urządzenie MOF może być osobistym lub wiejskim urządzeniem, które działa wszędzie tam, gdzie jest powietrze i światło słoneczne.Obecnie trwają komercyjne działania mające na celu zwiększenie skali produkcji urządzeń do pozyskiwania wody z MOF. Kilka startupów, często we współpracy z uniwersytetami, rozwija tę technologię. Według niedawnego raportu rynkowego, firmy takie jak Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule i Transaera wykorzystują doskonałe właściwości adsorpcji wody przez MOF do budowy nowej generacji systemów chłodzenia i pozyskiwania wody businesswire.com. Systemy te mogą podobno generować do 0,7 litra wody na kilogram MOF dziennie nawet w suchych warunkach businesswire.com – to około dwukrotnie więcej niż pierwsze prototypy – dzięki ulepszonym materiałom i projektom. Transaera, na przykład, wprowadza MOF do ultrawydajnych klimatyzatorów, które nie tylko chłodzą powietrze, ale także zbierają wodę jako dodatkowy efekt (Transaera była finalistą Global Cooling Prize). Inny projekt, AQUAml (powiązany z MIT), wykorzystuje MOF do osobistych butelek na wodę, które napełniają się wilgocią z powietrza. Fakt, że MOF mogą działać przy niskiej wilgotności, oznacza również, że mogą być używane do pasywnego osuszania w systemach HVAC, co zwiększa wydajność chłodzenia poprzez osuszanie powietrza bez cewek kondensacyjnych cas.org.
Pozyskiwacz wody z MOF to doskonały przykład na to, jak te materiały mogą odpowiadać na potrzeby humanitarne i adaptację do zmian klimatu. W rejonach z zanieczyszczonymi źródłami wody, urządzenia MOF mogłyby zapewnić bezpieczną wodę pitną przy minimalnej infrastrukturze. Można je także skalować modułowo – można wdrożyć setki jednostek MOF, aby wspierać całą społeczność, lub pojedynczą jednostkę dla rodziny. Naukowcy wyobrażają sobie nawet samouzupełniające się butelki na wodę dla turystów oraz generatory wody dla żołnierzy w terenie, wszystko zasilane przez MOF i energię słoneczną. Choć kolejnymi wyzwaniami są koszty i skalowanie produkcji, dotychczasowe postępy są niezwykle obiecujące. Jak żartował jeden z artykułów, urządzenia do pozyskiwania wody z powietrza dzięki MOF sprawiają wrażenie, jakby „chemia ocierała się o magię”, zamieniając coś tak ulotnego jak powietrze w jedno z najważniejszych zasobów życia. W obliczu zmian klimatu powodujących coraz częstsze susze, takie technologie mogą być przełomem dla bezpieczeństwa wodnego i inspirującym zastosowaniem zaawansowanych materiałów dla dobra społecznego.
Inne pojawiające się zastosowania (kataliza, baterie i inne)
Poza głównymi zastosowaniami wymienionymi powyżej, MOF-y wykazują swoją wszechstronność w wielu innych dziedzinach. Ich duża powierzchnia właściwa, możliwość dostosowania oraz zdolność do wbudowywania aktywnych metali lub grup funkcyjnych sprawiają, że są idealne do katalizy – przyspieszania reakcji chemicznych. MOF-y mogą służyć jako katalizatory same w sobie lub jako prekursory materiałów katalitycznych. Na przykład, MOF-y z otwartymi centrami metalicznymi były wykorzystywane do katalizowania konwersji CO₂ na paliwa, a materiały pochodzące z MOF-ów (takie jak szkielet węglowy zachowujący metal z MOF-u) wykazały doskonałą wydajność w elektrokatalizie (np. do redukcji tlenu w ogniwach paliwowych) cas.org. Jedno z badań wykazało, że nanorurki węglowe domieszkowane azotem, pochodzące z MOF-u, miały „zwiększoną aktywność i stabilność elektrokatalityczną” w elektrolizie wody w porównaniu do standardowych katalizatorów cas.org. Możliwość projektowania struktury atomowej katalizatora za pomocą MOF-ów (czasami nazywana „nano-odlewnictwem”) jest bardzo atrakcyjna w zielonej chemii i procesach przemysłowych.
MOF-y są również badane pod kątem zastosowania w urządzeniach do magazynowania energii. Naukowcy testują MOF-y jako materiały elektrodowe w akumulatorach litowo-jonowych, gdzie porowata struktura może pomieścić jony litu i potencjalnie poprawić pojemność lub szybkość ładowania cas.org. Niektóre MOF-y (lub ich pochodne) były badane jako materiały do superkondensatorów do szybkiego magazynowania energii cas.org. Chociaż większość MOF-ów jest izolatorem, pojawiła się nowa podklasa przewodzących MOF-ów, które mogą transportować elektrony i mogą być wykorzystywane w elektronice lub czujnikach. Istnieją nawet MOF-y o właściwościach magnetycznych lub ferroelektrycznych, które są badane pod kątem zaawansowanych urządzeń funkcjonalnych.
Kolejnym obszarem, w którym obserwuje się innowacje z wykorzystaniem MOF-ów, jest separacja i oczyszczanie gazów w przemyśle chemicznym. Wspomnieliśmy o wychwytywaniu dwutlenku węgla, ale MOF-y mogą również być wykorzystywane do innych trudnych separacji – na przykład do izolowania propylen z propanu (kluczowy etap w produkcji tworzyw sztucznych) lub usuwania zanieczyszczeń z gazu ziemnego. Firmy takie jak UniSieve opracowały membrany na bazie MOF-ów, które działają jak sita molekularne, umożliwiając energooszczędne separacje. W jednym przypadku membrana MOF była w stanie oddzielić propylen do czystości 99,5% od propanu businesswire.com, oferując potencjalnie niskoenergetyczną alternatywę dla destylacji (która zwykle pochłania ogromne ilości energii przy takich separacjach). Podobnie, filtry MOF są badane pod kątem recyklingu czynników chłodniczych, oczyszczania rozpuszczalników przemysłowych, a nawet oczyszczania odpadów jądrowych (wychwytywanie radioaktywnego jodu lub ksenonu).
W dziedzinie elektroniki i czujników naukowcy stworzyli oparte na MOF cienkie warstwy, które są selektywne wobec określonych gazów, potencjalnie umożliwiając stworzenie nowych typów czujników gazu lub nawet membran ogniw paliwowych. Remediacja środowiskowa to kolejna nisza – MOFy mogą wychwytywać zanieczyszczenia, takie jak PFAS („wieczne chemikalia”) z wody dzięki możliwości regulacji adsorpcji, a niektóre fotokatalityczne MOFy potrafią rozkładać zanieczyszczenia organiczne pod wpływem światła.
Wreszcie, MOFy mają kilka nieco fantazyjnych, ale intrygujących potencjalnych zastosowań: co powiesz na tkaniny MOF, które pochłaniają zapachy lub środki chemiczne (do odzieży ochronnej)? Albo powłoki MOF w lodówkach, które pochłaniają etylen i utrzymują świeżość żywności? Wszystkie te pomysły są obecnie testowane. Podsumowując, MOFy to materiał platformowy: tak jak polimery czy krzem znalazły niezliczone zastosowania, MOFy są szwajcarskim scyzorykiem w świecie materiałów. Jak ujął to jeden z raportów rynkowych, „Wyjątkowe właściwości MOF – w tym rekordowo duże powierzchnie, regulowane pory i możliwość dostosowania chemii – umożliwiają rozwiązania niektórych z najpilniejszych wyzwań społecznych.” businesswire.com Od czystego powietrza i wody po czystą energię i zdrowie, MOFy mają swój udział w szerokim zakresie innowacji.
Globalny krajobraz: badania, patenty i komercjalizacja na świecie
Ekscytacja wokół MOF-ów ma naprawdę globalny charakter. Po początkowych przełomach w USA (prace profesora Yaghiego na UC Berkeley i UCLA) oraz w Japonii (niezależne odkrycia MOF-ów przez profesora Susumu Kitagawę w Kioto), badania szybko rozprzestrzeniły się na Amerykę Północną, Europę, Azję i dalej. Stany Zjednoczone pozostają potęgą innowacji w dziedzinie MOF-ów, a czołowe uniwersytety (Berkeley, MIT, Northwestern itd.), laboratoria narodowe i firmy przesuwają granice tej dziedziny. Kilka amerykańskich startupów, często wywodzących się z laboratoriów akademickich, komercjalizuje MOF-y: NuMat Technologies (Illinois) koncentruje się na magazynowaniu gazów i sprzedaje nawet butle gazowe wyposażone w MOF-y (ION-X), które przechowują toksyczne gazy dla przemysłu półprzewodnikowego w bezpieczniejszy, podciśnieniowy sposób businesswire.com. NuMat informuje także o zdolności produkcyjnej MOF-ów na poziomie ~300 ton rocznie w swoich zakładach businesswire.com. Mosaic Materials w Kalifornii (wspomniana wcześniej w kontekście wychwytu CO₂) oraz Transaera (Massachusetts, w dziedzinie chłodzenia) to inne godne uwagi amerykańskie przedsięwzięcia. Przemysłowy gigant BASF w Niemczech był jednym z pierwszych, którzy zainwestowali znaczne środki w MOF-y; w latach 2010. zwiększył produkcję MOF-ów (produkując miedziany MOF w ilościach tonowych) i obecnie posiada wielosettonową roczną zdolność produkcyjną w Ludwigshafen businesswire.com. MOF firmy BASF (sprzedawany pod nazwą Basolite) jest nawet wykorzystywany w niektórych produktach komercyjnych, takich jak wysokiej klasy energooszczędne szkło izolacyjne i filtry chemiczne. Europa posiada silną sieć akademicką zajmującą się MOF-ami (np. UE organizuje konferencje takie jak EuroMOF), a Unia Europejska finansuje projekty takie jak MOST-H2 (magazynowanie wodoru) i AMADEUS (magazynowanie amoniaku z użyciem MOF-ów), aby przyspieszyć badania aplikacyjne.Chiny wyłoniły się jako płodny uczestnik nauki o MOF w ostatniej dekadzie. W rzeczywistości, według metryk publikacyjnych, chińscy naukowcy odpowiadają za dużą część nowych artykułów i patentów dotyczących MOF – w obszarach od wychwytywania dwutlenku węgla po dostarczanie leków. Badanie bibliometryczne zauważyło, że „Chiny wniosły znaczący wkład i zajmują wiodącą pozycję w badaniach nad MOF w onkologii” pmc.ncbi.nlm.nih.gov, by podać jeden przykład. Główne chińskie instytucje, takie jak Uniwersytet Jiliński, Uniwersytet Nankai i Chińska Akademia Nauk, mają dedykowane centra MOF badające wszystko od baterii opartych na MOF po katalizatory do przekształcania CO₂ w paliwo. Dążenie chińskiego rządu do osiągnięcia neutralności węglowej do 2060 roku pobudziło zainteresowanie MOF-ami w technologiach dekarbonizacji. Chociaż Chiny mogą jeszcze nie mieć tylu znanych na świecie startupów MOF, mają silną współpracę przemysłowo-akademicką. Warto zauważyć, że Chiny przodują w magazynowaniu metanu w pojazdach z wykorzystaniem MOF (obszar, w którym zbiorniki wypełnione adsorbentem mogą pozwolić pojazdom na gaz ziemny przechowywać więcej paliwa pod niższym ciśnieniem) i prowadzą badania nad MOF-ami do wychwytywania emisji przemysłowych w ramach krajowych programów CCUS.
Inne regiony również są aktywne: Japonia nadal wnosi wkład (badania pionierów takich jak Kitagawa oraz nowsze prace nad przewodzącymi MOF-ami), Korea Południowa ma firmy takie jak framergy (która współpracuje z międzynarodowymi grupami nad komercjalizacją MOF-ów), a Australia mieści ARC Centre of Excellence in Exciton Science, które bada MOF-y pod kątem detekcji i fotokatalizy. Na Bliskim Wschodzie, KAUST z Arabii Saudyjskiej jest centrum badań nad MOF-ami (jak wspomniano, zgłosili patenty na wychwytywanie dwutlenku węgla za pomocą MOF) cas.org, a kraje takie jak Zjednoczone Emiraty Arabskie i Katar interesują się MOF-ami do odsalania wody i separacji gazów, co odpowiada ich potrzebom.
Co ważne, rozwój MOF nie jest już ograniczony do laboratorium. Patenty i produkty komercyjne są w fazie wzrostu. Analiza przeprowadzona przez Chemical Abstracts Service pod koniec 2024 roku wykazała, że choć publikacje na temat MOF gwałtownie wzrosły, „wzrost liczby publikacji patentowych sugeruje, że szersza komercjalizacja tej technologii jest nieuchronna.” cas.org W szczególności CAS odnotował znaczącą aktywność patentową w zastosowaniach związanych z dekarbonizacją (wychwytywanie dwutlenku węgla, energia, magazynowanie gazu), a także w obszarach takich jak czysta woda i czujniki cas.org. Wskazuje to, że firmy i instytuty chronią innowacje oparte na MOF, przygotowując się do wdrożenia ich w rzeczywistych warunkach. Na rok 2024 tylko kilka produktów opartych na MOF zostało w pełni skomercjalizowanych businesswire.com – przykłady to filtry CO₂ firmy Svante, pojemniki na gaz firmy NuMat, niektóre niszowe urządzenia do oczyszczania powietrza oraz linia opakowań do kontroli wilgotności opartych na MOF. Jednak wydaje się, że jesteśmy na punkcie zwrotnym. „Globalny rynek MOF przechodzi obecnie krytyczną transformację z badań akademickich do zastosowań przemysłowych,” zauważa raport ResearchAndMarkets, który prognozuje, że branża będzie rosła o około 30% rocznie w kolejnych latach businesswire.com. Do 2035 roku zastosowania MOF mogą stanowić rynek wart wiele miliardów dolarów, szczególnie napędzany przez wychwytywanie dwutlenku węgla, magazynowanie wodoru, pozyskiwanie wody i separacje chemiczne businesswire.com.
Strona produkcyjna również się rozwija: około 50 firm na całym świecie produkuje obecnie MOFy, choć większość mocy produkcyjnych jest skoncentrowana w rękach kilku graczy (takich jak BASF i NuMat) businesswire.com. Wyzwania, z jakimi się mierzą, obejmują skalowanie produkcji z gramów laboratoryjnych do ton przemysłowych przy zachowaniu jakości, a także robienie tego w sposób opłacalny businesswire.com. Co zachęcające, następuje postęp – koszty spadają wraz z udoskonalaniem technik, a firmy opracowały metody produkcji ciągłej (w przeciwieństwie do powolnej syntezy porcjami), aby wytwarzać MOFy w większych ilościach businesswire.com. Na przykład Promethean Particles w Wielkiej Brytanii wykorzystuje reaktor przepływowy do produkcji MOFów i innych nanomateriałów, a novoMOF w Szwajcarii oferuje kontraktową produkcję MOFów na dużą skalę. Te osiągnięcia sugerują, że jeśli pojawi się duży popyt (na przykład tysiące ton do jednostek wychwytu dwutlenku węgla), strona podażowa będzie gotowa, by mu sprostać.Widać także międzynarodową współpracę: naukowcy z różnych krajów często współautorsko publikują prace o MOFach, a na całym świecie odbywają się konferencje (np. MOF2023 w Melbourne, MOF2024 w Vancouver), które integrują społeczność. Pomaga to rozpowszechniać najlepsze praktyki i unikać powielania wysiłków, biorąc pod uwagę ogromną przestrzeń chemiczną MOFów.
Perspektywy: Dlaczego MOFy są ważne dla zrównoważonej przyszłości
Jak widzieliśmy, MOF-y znajdują się na przecięciu zaawansowanej nauki o materiałach i rozwiązywania problemów rzeczywistych. Często określa się je jako „game-changer” dla zrównoważonego rozwoju, ponieważ umożliwiają procesy, które wcześniej były niewykonalne lub nieefektywne. Wyłapywanie dwutlenku węgla jest tego doskonałym przykładem – dzięki zmniejszeniu energochłonności oczyszczania CO₂, MOF-y mogą umożliwić szersze wdrożenie wyłapywania dwutlenku węgla w elektrowniach i fabrykach, znacząco ograniczając emisję gazów cieplarnianych. Magazynowanie czystej energii to kolejny przykład: MOF-y mogą w końcu uczynić wodór (a może także inne gazy, jak metan) praktycznym czystym paliwem, rozwiązując problem magazynowania. W obszarze czystej wody MOF-y dosłownie tworzą wodę z powietrza lub tanio ją oczyszczają, rozwiązując problem niedoboru i skażenia bez konieczności budowy dużej infrastruktury. W ochronie zdrowia MOF-y dają nadzieję na celowane dostarczanie leków i czułą diagnostykę, potencjalnie ratując życie dzięki inteligentniejszym terapiom. A w całej chemii przemysłowej MOF-y oferują bardziej energooszczędne procesy separacji i katalizy, co może obniżyć ślad węglowy produkcji codziennych chemikaliów.
Rzadko się zdarza, by jedna klasa materiałów miała wpływ na tak wiele sektorów – dlatego MOF-y są często porównywane do „nowego krzemu” lub „nowego plastiku” pod względem potencjału transformacyjnego. Reprezentują one nowy sposób budowania materiałów od podstaw z precyzją (stąd porównania do LEGO lub Tinkertoys na poziomie molekularnym). To podejście projektowania retikularnego było jeszcze kilka dekad temu głównie teoretyczne; dziś to praktyczny zestaw narzędzi wykorzystywany przez chemików i inżynierów na całym świecie.
Eksperci uważają, że jesteśmy u progu przejścia MOF-ów z ciekawostek laboratoryjnych do wszechobecnych materiałów roboczych osadzonych w różnych technologiach. „Dzięki wszystkim potencjalnym zastosowaniom MOF-y napędzają ważne przełomy w niektórych z naszych najtrudniejszych dziedzin nauki” – napisał jeden z analityków ACS, dodając, że postępy w AI i uczeniu maszynowym przyspieszają selekcję MOF-ów, „co oznacza, że kolejne postępy i zastosowania komercyjne mogą być blisko”. cas.org Harmonogram wprowadzania MOF-ów na rynek już się skraca: podczas gdy pierwszy MOF powstał w 1995 roku, na pierwsze zastosowania komercyjne trzeba było czekać do lat 20. XXI wieku, ale w ciągu najbliższych kilku lat możemy zobaczyć dziesiątki produktów opartych na MOF-ach. Zainteresowanie wykazują już giganci przemysłu – firmy naftowe i gazowe widzą w MOF-ach szansę na czystsze procesy, firmy technologiczne rozważają MOF-y do filtrów powietrza w centrach danych, a koncerny motoryzacyjne interesują się zbiornikami na wodór i pochłaniaczami CO₂ do oczyszczania powietrza w kabinach.
Na całym świecie wsparcie dla badań i wdrażania MOF wpisuje się w pilne priorytety, takie jak działania na rzecz klimatu, zrównoważony rozwój i zaawansowana produkcja. Rządy i inwestorzy finansują startupy MOF i projekty pilotażowe, dostrzegając, że te materiały mogą dać ich krajowi przewagę konkurencyjną w czystych technologiach. W USA i Europie MOF-y pojawiają się w planach dotyczących wychwytywania dwutlenku węgla i magazynowania wodoru. Najnowsze chińskie plany pięcioletnie podkreślają nowe materiały i zrównoważony rozwój – dziedziny, które są mocną stroną MOF-ów. Zaangażowane są także organizacje międzynarodowe: na przykład wychwytywanie dwutlenku węgla oparte na MOF zostało wyróżnione na niedawnych konferencjach CCUS decarbonfuse.com, a pozyskiwanie wody przez MOF-y było opisywane przez media takie jak BBC i Scientific American, zwracając uwagę opinii publicznej na te innowacje.
Oczywiście, pozostają wyzwania. Koszty produkcji i skalowalność wymagają dalszej poprawy (choć, jak wspomniano, w tym zakresie następuje znaczący postęp businesswire.com). Długoterminowa stabilność MOF-ów w rzeczywistych warunkach (narażenie na zanieczyszczenia, wielokrotne cykle) musi być potwierdzana indywidualnie dla każdego przypadku. Każda aplikacja musi też zmierzyć się z konkurencją ze strony innych technologii (na przykład, czy wychwytywanie dwutlenku węgla przez MOF-y może konkurować z nowymi systemami rozpuszczalników lub membran? Czy pozyskiwanie wody przez MOF-y może być lepsze od tradycyjnej odsalania na dużą skalę?). Na te pytania odpowiedzą projekty demonstracyjne i analizy ekonomiczne w nadchodzących latach. Pierwsze sygnały są obiecujące: tam, gdzie MOF-y się sprawdzają, naprawdę się sprawdzają – oferując możliwości, których nie zapewniają alternatywy (np. żaden inny materiał nie potrafi tak efektywnie wychwytywać wody przy 10% wilgotności lub magazynować tyle wodoru w tak lekkiej formie).
Podsumowując, MOF-y ilustrują siłę innowacji chemicznych w rozwiązywaniu globalnych wyzwań. Zaczęły jako ciekawostka w laboratoriach chemicznych, a przekształciły się w platformę z potencjałem, by uczynić przemysł czystszym, energię bardziej zrównoważoną, a zasoby takie jak woda – bardziej dostępnymi. Światowy wysiłek na rzecz rozwoju MOF-ów – od amerykańskich startupów, przez chińskie uniwersytety, europejskie konsorcja badawcze, po laboratoria na Bliskim Wschodzie – podkreśla wspólny optymizm wobec tych materiałów. Jak ujęto to w jednym z raportów, MOF-y „przechodzą od naukowej ciekawostki do komercyjnej rzeczywistości”, rozwiązując problemy związane z wychwytywaniem dwutlenku węgla, wodą, energią i innymi businesswire.com. Jeśli obecne trendy się utrzymają, MOF-y mogą wkrótce po cichu działać w tle wielu aspektów codziennego życia, pomagając urzeczywistnić bardziej zielony i zaawansowany świat. Następnym razem, gdy napijesz się wody na pustyni, poprowadzisz samochód na wodór lub zaczerpniesz czystszego powietrza w mieście, metal-organiczny szkielet może być częścią powodu, dla którego to możliwe.
Źródła: Najnowsze badania i komentarze ekspertów na temat MOF-ów pochodzą z wiodących czasopism naukowych, komunikatów prasowych uniwersytetów oraz raportów branżowych, w tym Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, komunikatów Businesswire businesswire.com, CORDIS (UE) cordis.europa.eu oraz analiz rynkowych businesswire.com, i innych. Źródła te podkreślają zgodność opinii, że MOF-y są przełomową platformą w nauce o materiałach, o szybko rosnącym wpływie na rzeczywistość.
