- MOF-urile dețin un record mondial pentru suprafața internă, de până la aproximativ 7.000 m^2 pe gram, cu modele teoretice de până la 14.600 m^2/g.
- În aproximativ 20 de ani, cercetătorii au creat aproape 90.000 de structuri MOF unice, cu sute de mii estimate teoretic.
- MOF-urile sunt rețele cristaline poroase construite din noduri metalice și conectori organici, formând o rețea 3D reglabilă care acționează ca un burete molecular.
- CALF-20, un MOF pe bază de zinc, poate reține aproximativ o tonă de CO2 pe zi pe metru cub în condiții industriale.
- ZnH-MFU-4l este un MOF revoluționar pentru captarea CO2 la temperaturi înalte, care leagă selectiv CO2 din gazele de ardere fierbinți la aproximativ 300°C, captând peste 90 la sută din CO2.
- DCF-1, lansat de Decarbontek la mijlocul anului 2025, este un MOF cu cost redus, realizat din oxid de zinc și acid citric, estimat să coste aproximativ 10 dolari pe kilogram la scară completă.
- Svante pilotează un sistem sorbent MOF CALF-20 la o fabrică de ciment, capabil să capteze aproximativ 1 tonă de CO2 pe zi.
- MOF-303, un MOF pentru colectarea apei pe bază de aluminiu, a permis în 2023 un dispozitiv portabil de recoltare în Death Valley care a recuperat aproximativ 85–90% din apa adsorbită, livrând până la 285 grame pe kilogram pe zi.
- Proiectul UE MOST-H2, lansat în 2022, folosește AI pentru a selecta MOF-uri pentru stocarea hidrogenului; până în 2025 a raportat progrese cu peste 10.000 de structuri analizate și prototipuri care îndeplinesc țintele DOE în condiții criogenice.
- MIL-101(Cr) poate fi extins de la aproximativ 2,5 nm la 5 nm prin tratament cu acid acetic, permițând încărcarea mai mare cu ibuprofen și 5-fluorouracil și eliberare mai rapidă.
Un factor revoluționar în materiale avansate și sustenabilitate
Imaginează-ți un material cu atât de multă suprafață internă încât un vârf de el conține echivalentul a șase terenuri de fotbal ca suprafațănews.berkeley.edu. Astfel de metal-organic frameworks (MOFs) sunt compuși poroși, cristalini, formați din noduri metalice conectate prin legături organice, creând rețele asemănătoare unui burete la scară moleculară. Oamenii de știință laudă MOF-urile ca având „posibilități practic nelimitate” de a construi structuri personalizate cu proprietăți adaptatecas.org. În ultimii 20 de ani, cercetarea asupra MOF-urilor a explodat – aproape 90.000 de structuri MOF unice au fost create (cu sute de mii estimate teoretic)cas.org. Această creștere este determinată de promisiunea că MOF-urile pot aborda provocări critice în domeniul sustenabilității și tehnologiei. De la captarea dioxidului de carbon care încălzește clima și stocarea combustibilului curat de hidrogen, până la livrarea de medicamente și colectarea apei din aerul deșertic, MOF-urile sunt pregătite să genereze descoperiri în domenii de la energie și mediu la biomedicinăcas.orgcas.org. În acest raport, explicăm ce sunt MOF-urile, cum funcționează și cum sunt fabricate, precum și de ce sunt considerate revoluționare. Vom explora principalele aplicații – inclusiv captarea carbonului, stocarea hidrogenului, livrarea de medicamente, senzori și colectarea apei – evidențiind descoperiri științifice recente, implementări reale și perspective ale experților. Analizând peisajul global (SUA, UE, China și nu numai) și cele mai noi progrese, vom vedea de ce MOF-urile sunt considerate materiale revoluționare pentru un viitor mai sustenabil.
Ce sunt MOF-urile? Cristale poroase cu suprafețe record
Structurile metal-organice (MOF-uri) sunt o clasă neobișnuită de materiale construite asemănător unor jucării Tinkertoy la nivel molecular. Ele constau din ioni sau clustere metalice care acționează ca noduri, legate între ele de molecule organice (liganzi) ce servesc drept bare de susținere. Aceste componente se auto-asamblează într-o rețea cristalină deschisă, asemănătoare unei cuști – practic formând o rețea poroasă 3D menținută prin legături de coordonare cas.org. Rezultatul este un burete cristalin: MOF-urile au o porozitate și o suprafață internă extrem de ridicate, ceea ce înseamnă că interiorul lor este plin de cavități și canale minuscule în care pot pătrunde alte molecule. De fapt, MOF-urile dețin recordul mondial pentru suprafața specifică a unui material – unele oferă până la ~7.000 m^2 pe gram, cu modele teoretice de până la 14.600 m^2/g cas.org. Ca să punem asta în perspectivă, doar o lingură de MOF tipic poate avea o suprafață internă de mărimea mai multor terenuri de fotbal, oferind spațiu abundent pentru adsorbția gazelor sau a altor molecule news.berkeley.edu.
Această suprafață internă vastă și structura porilor reglabilă sunt ceea ce face MOF-urile atât de speciale. Prin schimbarea nodurilor metalice sau a legăturilor organice, chimiștii pot crea MOF-uri diferite cu dimensiuni, forme și funcționalități chimice ale porilor adaptate cas.org. Aproape orice combinație este posibilă – un pionier al domeniului, profesorul Omar Yaghi (care a sintetizat pentru prima dată MOF-uri în anii 1990), a remarcat că zeci de mii de MOF-uri au fost create și “alte sute de mii” sunt prezise de algoritmi cas.org. Această strategie modulară de proiectare “reticulară” înseamnă că oamenii de știință pot practic proiecta materiale la comandă: de exemplu, un MOF poate fi conceput să prefere captarea moleculelor de CO₂ sau să lumineze în prezența unei toxine, pur și simplu alegând blocurile de construcție potrivite. Partea dificilă a acestei diversități este o provocare – cu atât de multe structuri posibile, poate fi greu de prezis care MOF va funcționa cel mai bine pentru o anumită aplicație cas.org. (Cercetătorii folosesc din ce în ce mai mult AI și învățarea automată pentru a analiza bazele de date cu MOF-uri și a sugera cei mai promițători candidați, un aspect pe care îl vom discuta mai târziu cas.org.)
În rezumat, un MOF este ca un burete ultra-fin sau un schelet la scară nanometrică. Este alcătuit din componente anorganice și organice blocate într-o rețea repetabilă, rezultând un material solid care este în mare parte spațiu gol. Aceste pori goi pot găzdui molecule oaspete. Esențial, MOF-urile rămân de obicei robuste chiar și după ce „oaspeții” lor inițiali, adică solvenții, sunt eliminați – cadrul gol rămâne intact și poros, gata să adsorbe noi molecule și să le elibereze în condițiile potrivite en.wikipedia.org. Această absorbție și eliberare reversibilă este cheia aplicațiilor de la stocarea gazelor la livrarea de medicamente. După cum explică dr. Kurtis Carsch, chimist la UC Berkeley: „Ca urmare a structurilor lor unice, MOF-urile au o densitate mare de situri unde poți capta și elibera CO₂ în condițiile potrivite” news.berkeley.edu – sau, în mod similar, pot capta și elibera alte molecule. În esență, MOF-urile oferă o combinație fără precedent de capacitate mare (datorită suprafeței enorme), ajustabilitate (prin proiectare chimică) și reversibilitate, făcându-le o platformă puternică în știința materialelor.
Cum sunt fabricate MOF-urile și cum funcționează?
Sinteza unui MOF este adesea mai ușoară decât ar sugera structura sa complexă. De obicei, oamenii de știință dizolvă o sursă de metal (cum ar fi o sare metalică) și o moleculă de legătură organică într-un solvent, apoi încurajează formarea cristalelor prin amestecare lentă, căldură sau evaporare. Ionii metalici și legăturile se coordonează și cristalizează spontan într-un cadru ordonat – formând un cristal MOF asemănător cu modul în care se precipită acadeaua dintr-o soluție de zahăr, dar la scară moleculară. Multe MOF-uri sunt realizate prin metode solvotermale (încălzirea ingredientelor într-un vas închis), deși tehnicile mai noi includ sinteza asistată cu microunde, uscarea prin pulverizare și chiar măcinarea mecanică fără solvent. Este remarcabil faptul că MOF-urile se pot auto-asambla adesea în condiții relativ blânde. De exemplu, un MOF revoluționar pentru captarea carbonului, numit DCF-1, este sintetizat pur și simplu prin amestecarea oxidului de zinc cu acid citric în apă – o „metodă sigură, sustenabilă și în curs de brevetare” care produce un MOF performant la costuri reduse businesswire.com. Acest lucru ilustrează modul în care cercetătorii îmbunătățesc metodele de producție pentru a reduce costurile și a evita substanțele chimice dure. Cristalele MOF pot varia de la dimensiuni nanometrice la milimetrice și sunt de obicei procesate sub formă de pulberi sau transformate în pelete și membrane pentru utilizare practică.
Modul în care funcționează MOF-urile se reduce la adsorbție și selectivitate. Porii lor acționează ca niște dulapuri de depozitare sau capcane minuscule pentru molecule. Când un MOF este expus la un gaz sau lichid, moleculele țintă pot intra în pori și se pot lipi de suprafețele interne (prin forțe van der Waals, interacțiuni chimice la anumite situri etc.). Deoarece MOF-urile au atât de multă suprafață interioară și adesea grupări chimice care leagă anumite molecule, ele pot absorbi cantități uimitoare. De exemplu, un MOF (CALF-20, un cadru pe bază de zinc) poate reține aproximativ o tonă de CO₂ pe zi pe metru cub de material în condiții industriale businesswire.com – acționând practic ca un burete uriaș pentru dioxidul de carbon. Totuși, adsorbția este de obicei reversibilă: prin schimbarea condițiilor (încălzirea MOF-ului, scăderea presiunii sau spălarea cu un alt gaz), moleculele capturate sunt eliberate (desorbite) și MOF-ul este regenerat pentru un alt ciclu news.berkeley.edu. Acest ciclu de captare și eliberare este crucial pentru aplicații precum captarea carbonului sau stocarea gazelor, unde MOF-ul trebuie reutilizat de multe ori. În exemplul captării CO₂, odată ce MOF-ul este saturat cu CO₂, „CO₂ poate fi îndepărtat prin scăderea presiunii parțiale – fie prin spălare cu un alt gaz, fie prin aplicarea unui vid. MOF-ul este apoi gata să fie reutilizat pentru un alt ciclu de adsorbție” news.berkeley.edu.
Chimia internă a fiecărui MOF poate fi ajustată pentru a prefera anumite molecule în detrimentul altora, făcându-le foarte selective. Unele MOF-uri au situri metalice deschise sau grupări funcționale în pori care acționează ca niște cârlige pentru gaze specifice. Altele sunt decorate cu molecule (precum amine sau situri de cupru) care reacționează cu o țintă (precum CO₂). Această ajustabilitate este un mare avantaj – spre deosebire de materialele poroase tradiționale (de exemplu, carbonul activat sau zeoliții) care au proprietăți fixe, MOF-urile pot fi proiectate la comandă. „Proprietățile lor ajustabile sunt factorul cheie,” notează un raport CAS Insights, „suprafața mare și porozitatea combinate cu chimia ajustabilă oferă MOF-urilor abilitatea de a adsorbi gaze și compuși volatili, atrăgând un interes enorm pentru separarea și stocarea gazelor, în special pentru CO₂” cas.org. Pe scurt, MOF-urile funcționează prin captarea selectivă a moleculelor în porii lor nanoscopici – asemănător cu o sită sau un filtru făcut din molecule – și pot elibera ulterior „încărcătura” atunci când sunt stimulate. Acest concept simplu stă la baza varietății de utilizări pe care le vom discuta, de la eliminarea CO₂ din gaze de eșapament, la stocarea mai densă a hidrogenului ca combustibil, până la transportul moleculelor de medicament în fluxul sanguin.
Aplicații majore ale MOF-urilor
Abilitățile unice ale MOF-urilor, asemănătoare unui burete, le fac utile într-o gamă surprinzător de largă de aplicații. Mai jos explorăm câteva dintre cele mai de impact utilizări urmărite astăzi – împreună cu descoperiri recente și exemple din fiecare domeniu.
Captarea carbonului și atenuarea schimbărilor climatice
Una dintre cele mai urgente aplicații pentru MOF-uri este captarea dioxidului de carbon din gazele de ardere ale centralelor electrice sau chiar direct din aer. Reducerea emisiilor de CO₂ este esențială pentru combaterea schimbărilor climatice, iar MOF-urile se remarcă drept „printre cele mai promițătoare materiale pentru captarea carbonului” deoarece pot absorbi CO₂ cu o eficiență mai mare și un cost energetic mai redus decât metodele convenționale ccarbon.info. Tehnologia tradițională de captare a carbonului folosește soluții lichide de amine pentru a lega CO₂, dar aminele sunt corozive, necesită multă energie pentru regenerare și, de obicei, funcționează doar la temperaturi relativ scăzute (în jur de 40–60 °C). Multe gaze de ardere industriale, însă, sunt mult mai fierbinți (gazele de evacuare din fabricile de ciment și oțel pot depăși 200–300 °C), ceea ce face ca captarea carbonului să fie dificilă și costisitoare deoarece gazele trebuie mai întâi răcite news.berkeley.edu. MOF-urile oferă un potențial salt înainte: pot fi proiectate să capteze CO₂ chiar și în condiții dure, apoi să îl elibereze cu încălzire sau modificări de presiune moderate, folosind mult mai puțină energie în ansamblu decât sistemele cu amine ccarbon.info.
La sfârșitul anului 2024, chimiștii de la UC Berkeley au raportat un progres major în MOF care poate capta CO₂ din gazele de ardere fierbinți fără răcire prealabilă. Materialul, cunoscut sub numele de ZnH-MFU-4l, conține situri de hidrură de zinc în interiorul porilor săi care leagă CO₂ puternic la temperaturi ridicate. „Am descoperit că un MOF poate capta dioxid de carbon la temperaturi fără precedent de ridicate – temperaturi relevante pentru multe procese care emit CO₂,” a declarat dr. Kurtis Carsch, co-prim autor al studiului. „Acest lucru nu a fost considerat anterior posibil pentru un material poros.” news.berkeley.edu În condiții simulate de evacuare, acest MOF a reușit să prindă selectiv CO₂ la ~300 °C (tipic pentru gazele de ardere din ciment/otel) și să capteze peste 90% din CO₂ din flux („captare profundă a carbonului”), rivalizând cu performanța aminelor lichide news.berkeley.edu. O astfel de operare la temperaturi ridicate evită necesitatea de a consuma energie și apă pentru răcirea emisiilor news.berkeley.edu, făcând potențial captarea carbonului fezabilă pentru industrii „dificil de decarbonizat” precum oțelul și cimentul. „Deoarece entropia favorizează prezența moleculelor precum CO₂ în faza gazoasă din ce în ce mai mult odată cu creșterea temperaturii, se credea în general că este imposibil să captezi astfel de molecule cu un solid poros la temperaturi peste 200 °C,” a menționat profesorul Jeffrey Long, care a condus cercetarea. „Această lucrare arată că, având funcționalitatea potrivită… captarea cu capacitate mare a CO₂ poate fi într-adevăr realizată la 300 °C.” news.berkeley.edu Descoperirea deschide o nouă direcție de proiectare (folosind situri de hidrură metalică în MOF-uri) pentru materiale de captare a carbonului de generație următoare news.berkeley.edu.MOF-urile strălucesc, de asemenea, în roluri mai convenționale de captare a CO₂. Interesul startup-urilor și al companiilor a crescut vertiginos: ExxonMobil a depus brevete pentru tehnologii MOF destinate captării carbonului cas.org, iar cercetătorii de la KAUST din Arabia Saudită au brevetat MOF-uri pentru captarea CO₂ și separarea gazelor cas.org. Numeroase startup-uri se întrec pentru a comercializa filtre de CO₂ pe bază de MOF. De exemplu, Nuada (un startup din UE) explorează sisteme MOF pentru a ajuta producătorii de ciment să capteze CO₂ din gazele de ardere cas.org. O altă companie, Mosaic Materials, a dezvoltat un MOF funcționalizat cu amine pentru captarea CO₂ atât de promițător încât a fost achiziționat de compania de tehnologie energetică Baker Hughes în 2022 pentru extindere la scară news.berkeley.edu. MOF-ul Mosaic este testat în proiecte pilot ca alternativă la aminele lichide și chiar pentru captarea directă a CO₂ din aer news.berkeley.edu.Doar la mijlocul anului 2025, Decarbontek, Inc. a anunțat că produce comercial un adsorbant MOF pentru captarea carbonului. Compania a lansat DCF-1 (De-Carbon Framework-1), numindu-l „un MOF revoluționar, cu cost redus și performanță ridicată, proiectat pentru captarea carbonului la scară”, acum disponibil la kilogram ccarbon.info. „Odată cu lansarea DCF-1, stabilim un nou standard pentru materialele de captare a carbonului,” a declarat Dr. Yong Ding, CEO-ul Decarbontek. „Este rentabil, ușor de fabricat și foarte eficient – făcând captarea carbonului accesibilă pentru diverse industrii.” businesswire.com DCF-1 poate fi produs ieftin (folosind oxid de zinc comun și acid citric) și își propune să coste doar aproximativ 10 dolari pe kg la scară completă, „comparabil cu sitele moleculare obișnuite”, potrivit lui Ding businesswire.com. Acest lucru este semnificativ deoarece MOF-urile au fost mult timp considerate prea scumpe pentru utilizare pe scară largă; un MOF cu cost redus și ușor de produs ar putea elimina o barieră majoră în calea adoptării ccarbon.info. Materialul combină, potrivit rapoartelor, o absorbție ridicată de CO₂ cu un proces de producție netoxic, pe bază de apă, ideal pentru modernizarea fabricilor sau chiar extragerea CO₂ din aer businesswire.com. Produsul Decarbontek și altele similare subliniază modul în care tehnologia MOF trece din laborator pe piață în domeniul captării carbonului.Poate cel mai tangibil semn al progresului este în proiectele pilot: Svante, o companie canadiană, folosește un sorbent MOF (CALF-20, fabricat de BASF) într-un sistem demonstrativ care captează aproximativ 1 tonă de CO₂ pe zi din gazele de ardere ale unei fabrici de ciment businesswire.com. Acest test în condiții reale arată că MOF-urile pot gestiona fluxuri de gaze industriale și chiar funcționează pe teren. Astfel de dezvoltări sugerează că MOF-urile ar putea juca în curând un rol cheie în eforturile globale de Captare, Utilizare și Stocare a Carbonului (CCUS), ajutând industriile să reducă emisiile de CO₂. Având în vedere că captarea carbonului este vitală pentru atenuarea schimbărilor climatice (mai ales pentru sectoarele care nu pot fi electrificate ușor), MOF-urile sunt văzute pe scară largă ca o descoperire de tip “material minune” pentru decarbonizare news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Oferind o eficiență mai mare și penalizări energetice mai mici, captarea carbonului pe bază de MOF ar putea permite o adoptare mai largă a CCUS – o punte importantă către un viitor cu emisii nete zero, pe măsură ce energia regenerabilă se extinde. În concluzie, MOF-urile oferă un nou set de instrumente puternice pentru gestionarea CO₂, de la coșurile de fum ale fabricilor până la aerul liber, motiv pentru care această zonă de aplicare rămâne cel mai fierbinte subiect în cercetarea și comercializarea MOF-urilor.Stocarea hidrogenului și energie curată
Dacă MOF-urile pot ajuta la eliminarea carbonului din sistemele noastre energetice actuale, ele sunt, de asemenea, pregătite să permită vectori de energie curată precum hidrogenul în viitor. Hidrogenul (H₂) este un combustibil promițător cu emisii zero de carbon (arde pentru a produce doar apă), dar stocarea eficientă a hidrogenului este o provocare majoră – H₂ este un gaz cu densitate foarte scăzută, iar comprimarea sau lichefierea sa este intensivă energetic și necesită rezervoare grele. MOF-urile oferă o modalitate de a stoca hidrogenul într-o formă compactă și sigură prin adsorbție. Practic, gazul de hidrogen poate fi încărcat în porii unui MOF la densitate mare (mai ales la temperaturi scăzute), ca ouăle într-o cutie de ouă, și apoi eliberat la nevoie. Departamentul de Energie al SUA și alte instituții au stabilit ținte pentru materialele de stocare a hidrogenului (pentru procentul de greutate și volumul de H₂ stocat), iar anumite MOF-uri s-au apropiat sau chiar au depășit aceste ținte la temperaturi criogenice.
În Europa, se desfășoară un efort concertat pentru valorificarea MOF-urilor în stocarea hidrogenului. Proiectul MOST-H2 finanțat de UE (lansat în 2022) dezvoltă sisteme de stocare cri-adsorbtivă a hidrogenului folosind MOF-uri avansate cordis.europa.eu. În cri-adsorbție, gazul de hidrogen este răcit (de obicei la temperatura azotului lichid, ~77 K) și adsorbit pe un material poros, obținând o densitate mare fără presiuni extreme. „Arma secretă a proiectului este o clasă specială de materiale cristaline poroase numite MOF-uri,” pe care le modelează în adsorbanți MOF monolitici cu o combinație optimă de capacitate volumetrică și gravimetrică cordis.europa.eu. Până în 2025, cercetătorii MOST-H2 au raportat „progrese semnificative” – au combinat selecția asistată de AI cu experimente pentru a identifica noi compuși MOF care depășesc țintele larg acceptate atât pentru capacitatea gravimetrică, cât și pentru cea volumetrică de stocare a hidrogenului cordis.europa.eu. Aceste descoperiri au fost protejate prin cereri de brevet cordis.europa.eu, subliniind noutatea lor. În practică, prototipurile MOF ale echipei pot stoca hidrogen dens în condiții criogenice, în materiale care sunt ușor și sigur de manipulat (fără presiuni extrem de ridicate) și au „o amprentă de mediu foarte mică” cordis.europa.eu. Scopul final este integrarea acestor MOF-uri într-o soluție completă de stocare a hidrogenului „de la laborator la rezervor” pentru aplicații precum vehiculele alimentate cu hidrogen (proiectul explorează studii de caz pentru trenuri cu hidrogen în Austria și Italia) cordis.europa.eu.Un aspect remarcabil al acestui efort este utilizarea învățării automate pentru accelerarea descoperirii. Proiectul MOST-H2 a dezvoltat un instrument AI pentru a prezice care structuri MOF ar fi optime pentru absorbția hidrogenului, creând o „bază de date robustă cu materiale performante” și demonstrând cum metodele computaționale pot remodela dezvoltarea MOF cordis.europa.eu. Prin analizarea virtuală a peste 10.000 de structuri MOF și apoi testarea celor mai bune candidate în laborator, echipa a reușit să identifice câteva materiale de top pe care le-au brevetat imediat cordis.europa.eu. Această abordare reduce considerabil încercările și erorile tipice din cercetarea și dezvoltarea materialelor. Drept urmare, MOF-urile proiectului sunt pe cale să atingă sau să depășească obiectivele stricte de stocare necesare pentru rezervoarele de combustibil practice, menținând totodată costurile reduse și stabilitatea pe mai multe cicluri cordis.europa.eu. Designul rezervorului pe bază de MOF este, de asemenea, optimizat cu modele avansate de transfer de căldură și masă și cu analize de ciclu de viață, pentru a asigura scalarea și integrarea sa în vehicule reale cordis.europa.eu.Dincolo de acest proiect, alți cercetători au demonstrat MOF-uri capabile de o absorbție remarcabilă a hidrogenului. De exemplu, MOF-74 (un cadru bine-cunoscut) poate absorbi mai mult hidrogen decât orice rezervor nepresurizat la 77 K, indicând potențialul MOF-urilor de a elimina blocajul din stocarea hidrogenului innovations-report.com. Strategia generală este de a opera aproape de temperaturi criogenice – ceea ce poate părea intensiv energetic, dar tehnici precum izolația inteligentă sau utilizarea răcirii „gratuite” din evaporarea hidrogenului lichid pot face această abordare viabilă. Beneficiul ar fi rezervoare de hidrogen ușoare, cu capacitate mare pentru mașini, autobuze sau avioane cu celule de combustibil, care nu necesită compresie la 700 bari sau recipiente extrem de grele. Astfel de rezervoare ar putea fi „baterii” solide de hidrogen, unde granulele MOF stochează hidrogenul în siguranță la presiuni moderate. Cercetătorii explorează, de asemenea, MOF-uri pentru stocarea hidrogenului la temperatura camerei, deși niciun material nu îndeplinește încă toate obiectivele DOE în condiții ambientale.
În concluzie, MOF-urile se află în prim-planul soluționării dilemei stocării hidrogenului. Ele acționează ca niște nano-bureți care împachetează moleculele de hidrogen dens prin adsorbție, permițând ca mai mult hidrogen să încapă într-un anumit volum la o anumită presiune. MOF-urile actuale, combinate cu răcire criogenică, au demonstrat capacități record – depășind ceea ce poate realiza hidrogenul lichid per volum în unele cazuri – ceea ce ar putea permite vehiculelor alimentate cu hidrogen să parcurgă distanțe mai mari cu un rezervor și să se realimenteze mai rapid. Având în vedere interesul global pentru hidrogen ca vector energetic curat (pentru transport, stocare în rețea și industrie), progresele precum rezervoarele pe bază de MOF sunt esențiale. Faptul că se depun brevete și se finanțează proiecte multianuale în UE și în alte părți semnalează încrederea că MOF-urile vor juca un rol cheie în economia hidrogenului. După cum a spus un raport al UE, aceste materiale inovatoare promit „soluții de stocare a hidrogenului ieftine, eficiente și prietenoase cu mediul” pentru obiectivele climatice ale Europei cordis.europa.eu – o afirmație care rezonează la nivel mondial, pe măsură ce națiunile investesc în infrastructura H₂.
Administrarea medicamentelor și aplicații biomedicale
MOF-urile nu sunt destinate doar energiei și mediului – ele au un impact semnificativ și în biomedicină ca sisteme noi de administrare a medicamentelor și agenți de imagistică. În context farmaceutic, MOF-urile pot acționa ca transportatori la scară nano pentru molecule terapeutice. Ideea este că un medicament (care poate fi o moleculă mică, o proteină sau chiar un acid nucleic) poate fi încărcat în porii MOF-ului și apoi transportat prin organism, protejat de „cușca” MOF. Structura poroasă poate uneori să protejeze medicamentul de degradarea prematură, să direcționeze eliberarea acestuia într-o anumită locație sau să permită o eliberare lentă și controlată în timp. MOF-urile pot fi chiar proiectate să răspundă la stimuli (precum pH-ul sau lumina) pentru a declanșa eliberarea medicamentului la comandă jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Aceasta este o zonă în plină dezvoltare în nanomedicină.
Un avantaj al MOF-urilor este capacitatea lor mare de încărcare – datorită suprafeței lor enorme, pot transporta o cantitate mare de medicament în raport cu greutatea lor. De asemenea, multe MOF-uri pot fi fabricate din componente biocompatibile (de exemplu, noduri de zinc sau fier cu acizi organici comestibili), ceea ce înseamnă că se pot degrada în produse secundare netoxice în organism cas.org. De fapt, unele MOF-uri sunt bio-prietenoase și biodegradabile, ceea ce le face atractive pentru utilizarea în organisme vii cas.org. Cercetătorii au inventat termenul „nano-MOF-uri” pentru particule MOF foarte mici (de obicei 50–200 nanometri) concepute pentru injectare în fluxul sanguin sau livrare celulară axial.acs.org. Câteva dintre aceste nano-MOF-uri au avansat la studii clinice pentru terapia cancerului axial.acs.org – de exemplu, ca transportori pentru medicamente chimioterapice sau pentru îmbunătățirea tratamentului cu radiații. Acest lucru arată potențialul real al MOF-urilor ca platformă în medicină.Un studiu recent din 2024 a demonstrat cum o simplă modificare chimică poate îmbunătăți performanța unui MOF în livrarea de medicamente. Oamenii de știință de la Universitatea din Miami au luat un MOF bine-cunoscut numit MIL-101(Cr) (un cadru pe bază de crom cu pori mari) și l-au „umflat” efectiv printr-o etapă suplimentară de sinteză acs.org. Ei au tratat cristalele MOF cu puțin acid acetic (asemănător cu oțetul) pentru a mări dimensiunea porilor de la aproximativ 2,5 nm la 5 nm, crescând suprafața internă acs.org. Aceste particule MOF cu „pori măriți” au fost apoi încărcate cu două medicamente model – ibuprofen (un antiinflamator) și 5-fluorouracil (un medicament chimioterapic) – pentru a testa capacitatea și cinetica de eliberare. Rezultatele au fost remarcabile: „MOF-urile umflate au reținut mai mult ibuprofen sau medicament chimioterapic comparativ cu versiunea originală și au avut performanțe îmbunătățite ca potențial vehicul de livrare a medicamentelor.” acs.org Deoarece porii erau mai mari, mai multe molecule de medicament puteau încăpea în interior, iar într-adevăr MOF-ul modificat a absorbit o cantitate mai mare din ambele medicamente decât MIL-101 nemodificat acs.org. Mai mult, în experimentele de eliberare, MOF-ul cu pori măriți a eliberat medicamentele substanțial mai rapid decât originalul, datorită deschiderilor mai mari care acționau ca niște „uși” largi pentru ieșirea moleculelor acs.org. O eliberare mai rapidă ar putea fi benefică pentru atingerea rapidă a nivelurilor terapeutice, în timp ce o eliberare lentă și controlată ar putea fi obținută prin alte modificări. Cercetătorii consideră această metodă simplă de spălare cu acid ca o modalitate de a ajusta profilurile de livrare ale MOF pentru nevoi diferite acs.org. După cum notează ei, „schimbări simple precum acestea ar putea maximiza eficacitatea MOF-urilor în viitoarele aplicații de livrare a medicamentelor”, iar lucrările în curs explorează cum se poate obține o eliberare lentă și susținută pe intervale de timp specifice prin adaptarea structurilor porilor acs.org.Aceasta este doar un exemplu dintre multe. Alte studii au arătat că MOF-urile pot transporta combinații de medicamente, pot proteja biomolecule delicate precum proteinele sau ARN-ul și chiar pot facilita livrarea țintită către tumori (prin atașarea de liganzi de țintire la MOF). Deoarece poți combina și potrivi centre metalice, cercetătorii au descoperit că alegerea metalului poate afecta ratele de eliberare – de exemplu, un studiu a constatat că MOF-urile realizate cu magneziu au eliberat un medicament de testare mai rapid decât cele cu zirconiu, sugerând că nodurile metalice mai solubile duc la o degradare mai rapidă a structurii și la eliberarea medicamentului axial.acs.org. Astfel de informații ghidează proiectarea MOF-urilor pentru eliberare de medicament “la cerere” și teranostică (terapie + diagnostic). Notabil, MOF-urile pot servi și ca agenți de contrast sau sonde de imagistică; unele încorporează lantanide luminescente sau izotopi radioactivi pentru urmărire, iar altele amplifică semnalele RMN. Proprietățile luminescente ale anumitor MOF-uri au permis chiar și biosenzori care pot detecta biomarkeri sau toxine de mediu printr-o schimbare de fluorescență cas.org – estompând linia dintre livrarea de medicamente și detecție.Esențial, studiile timpurii de siguranță indică faptul că MOF-urile formulate corespunzător pot fi non-toxice și biodegradabile în organism cas.org. De exemplu, MOF-urile realizate din fier sau zinc cu liganzi de calitate alimentară se pot descompune în nutrienți sau pot fi excretate. Această biocompatibilitate, combinată cu o capacitate mare de încărcare și versatilitate, i-a determinat pe experți să considere MOF-urile ca fiind “o nouă clasă promițătoare de purtători inteligenți de medicamente” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Deși niciun medicament pe bază de MOF nu a ajuns încă pe piață, studiile clinice aflate în desfășurare sugerează că este doar o chestiune de timp. În viitorul apropiat, nanoparticulele MOF ar putea livra chimioterapie mai direct către celulele canceroase, reducând efectele secundare, sau ar putea acționa ca “nano-antidoturi” care absorb substanțe toxice din organism. Impulsul cercetării este puternic – o recenzie a numărat zeci de sisteme de livrare a medicamentelor pe bază de MOF pentru cancer, HIV, diabet și altele aflate în investigație pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Dacă aceste eforturi vor avea succes, MOF-urile ar putea inaugura o nouă eră a medicinei de precizie, unde tratamentul nu se referă doar la molecula de medicament, ci și la vehiculul inteligent care o transportă.
Senzori și Detecție
Mulțumită chimiei lor ajustabile și adesea luminescenței inerente, MOF-urile au apărut ca componente puternice în senzorii chimici. O mică schimbare în structura unui MOF – de exemplu, legarea unei molecule oaspete sau transferul unui electron – se poate traduce într-un semnal optic sau electric detectabil. Acest lucru face ca MOF-urile să fie excelente pentru detectarea compușilor în urme din mediu, alimente sau chiar din corpul uman. Cercetătorii au creat senzori pe bază de MOF pentru o gamă largă de ținte: ioni de metale grele, explozibili (precum vaporii de TNT), gaze industriale periculoase și biomarkeri pentru boli, printre altele sciencedirect.com, pubs.rsc.org.O abordare populară este MOF-urile luminescente (adesea numite LMOF-uri). Acestea sunt MOF-uri care fie fluorescează sau fosforesc natural, fie sunt dopate cu molecule/ioni metalici fluorescenți. Când un analit țintă intră în porii MOF-ului, poate determina schimbarea luminescenței – poate prin stingerea, amplificarea sau schimbarea culorii acesteia. De exemplu, anumite MOF-uri care conțin metale din seria lantanidelor vor emite un semnal puternic ce poate fi stins selectiv de anumite substanțe chimice, permițând detectarea acestora la concentrații foarte mici pubs.rsc.org. Există MOF-uri care acționează ca senzori de tip “turn-on” pentru ioni metalici precum aluminiul (strălucind doar când ionul se leagă) pubs.acs.org, sau ca senzori care își schimbă culoarea pentru pH sau oxigen. Deoarece MOF-urile au o structură modulară, proiectanții de senzori pot încorpora direct în rețea situri de recunoaștere. Imaginați-vă un MOF care are buzunare de legare perfect dimensionate pentru o moleculă poluantă – când poluantul este capturat, declanșează un transfer de electroni sau de energie care face ca fluorescența MOF-ului să se estompeze sau să-și schimbe culoarea. O astfel de specificitate este extrem de apreciată în detecție.
Un avantaj cheie al senzorilor MOF este că pot fi realizați foarte sensibili și selectivi, rămânând totodată stabili. MOF-urile pot funcționa adesea în medii diferite (unele sunt stabile în apă, pentru detecție acvatică). Cercetătorii au dezvoltat chiar și senzori pe bază de MOF care pot detecta biomarkeri în fluide complexe precum urina sau sângele, filtrând și captând ținta dintr-o singură etapă sciencedirect.com. O altă direcție interesantă este senzorii electrochimici pe bază de MOF: MOF-urile conductoare sau compozitele pot genera un răspuns de curent electric atunci când un gaz sau un vapor este adsorbit, acționând ca un nou tip de “nas electronic” orcasia.org.
Este important de menționat că multe MOF-uri sunt fabricate din componente relativ inofensive, astfel încât utilizarea lor în senzori pentru consumatori sau biomedicali este fezabilă. Un analist CAS a remarcat că MOF-urile pot fi excelente ca biosenzori deoarece unele sunt „cu toxicitate redusă și biodegradabile”, în special cele folosite în detecția bazată pe luminescență cas.org. Aceasta înseamnă că o sondă acoperită cu MOF ar putea fi folosită într-o zi in vivo (în interiorul corpului) pentru a monitoriza anumite condiții, sau particulele MOF ar putea face parte dintr-un test de diagnostic care se dizolvă în siguranță după utilizare. Deja, senzorii MOF au fost testați pentru lucruri precum metale grele toxice în apă (MOF-ul fluorescează în prezența mercurului sau plumbului) pubs.acs.org, contaminanți alimentari (pesticide sau antibiotice care determină schimbarea emisiei MOF-ului) sciencedirect.com, și chiar ca senzori purtabili pentru analiza respirației.
Un exemplu aflat în dezvoltare este un aranjament de senzori pe bază de MOF pentru detectarea explozivilor și a agenților de război chimic. Având mai multe MOF-uri, fiecare reglat pentru a răspunde la forme chimice diferite, un aranjament poate produce o amprentă unică pentru o anumită substanță (similar cu modul în care nasul nostru diferențiază mirosurile). Un alt exemplu: cercetătorii au creat un senzor MOF luminescent care poate semnala rapid alimentele alterate prin detectarea vaporilor de amine proveniți din degradarea cărnii, oferind o schimbare de culoare ca indicator sciencedirect.com. Aceste soluții creative arată cum MOF-urile pot contribui la sănătatea și siguranța publică.
Pe scurt, MOF-urile aduc sensibilitate ridicată, posibilitate de personalizare și stabilitate tehnologiei senzorilor. Ele pot detecta molecule la nivel de părți pe miliard în unele cazuri, iar răspunsul lor poate fi proiectat pentru a fi ușor de citit (o schimbare de culoare vizibilă cu ochiul liber sau o modificare a curentului/tensiunii pentru citire electronică). Pe măsură ce standardele de monitorizare a mediului și siguranță alimentară devin mai stricte, senzorii MOF ar putea găsi o utilizare pe scară largă datorită combinației lor de precizie și practicabilitate. Faptul că MOF-urile pot fi transformate în filme subțiri sau pulberi care acoperă dispozitivele înseamnă că integrarea în hardware-ul senzorilor este destul de fezabilă. Companii și laboratoare de cercetare din întreaga lume brevetează activ designuri de senzori MOF cas.orgcas.org, ceea ce indică faptul că am putea vedea în curând produse comerciale de senzori care utilizează tehnologia MOF – de la senzori inteligenți de bucătărie care detectează alterarea alimentelor, la detectoare portabile pentru calitatea aerului și amenințări de securitate. Aceasta este o zonă dinamică unde chimia și ingineria se întâlnesc, iar MOF-urile se află în avangarda modului în care lumea noastră devine mai detectabilă și măsurabilă în detaliu fin.
Colectarea apei și tehnologii pentru apă curată
Poate una dintre cele mai futuriste aplicații ale MOF-urilor – și totuși deja demonstrată în viața reală – este extracția apei potabile direct din aer. Recoltarea apei atmosferice este o tehnologie care urmărește să extragă umezeala din aer (chiar și în climatele aride de deșert) pentru a furniza apă proaspătă. Dezumidificatoarele tradiționale sau plasele de ceață necesită aer relativ umed sau multă energie. Dar MOF-urile au demonstrat capacitatea de a captura apă chiar și din aer extrem de uscat (până la 10–20% umiditate relativă) și apoi să o elibereze cu un aport minim de energie, ceea ce le face ideale pentru generatoare de apă off-grid în regiunile afectate de secetă.
Conceptul a fost inițiat de profesorul Omar Yaghi (inventatorul MOF-urilor) și colegii săi. În 2017, ei au raportat pentru prima dată un MOF (MOF-801) care putea recolta apă din aerul deșertic folosind doar lumina soarelui ca sursă de energie. Avansând până în 2023, tehnologia a făcut progrese semnificative. Cercetătorii de la UC Berkeley au prezentat un dispozitiv portabil de recoltare a apei folosind MOF-uri, testat în Death Valley – unul dintre cele mai uscate și fierbinți locuri de pe Pământ. Dispozitivul, de dimensiunea unui rucsac mic și alimentat exclusiv de lumina solară ambientală, a funcționat în mod repetat pentru a capta apă noaptea și a o elibera sub formă lichidă ziua. „Aceste teste au arătat că dispozitivul poate furniza apă curată oriunde,” a raportat echipa, numindu-l o soluție urgentă deoarece „schimbările climatice agravează condițiile de secetă.” cdss.berkeley.edu Recoltatorul bazat pe MOF a reușit să extragă umezeală din aer cu o umiditate de doar 10% și să producă până la 285 de grame de apă pe kilogram de MOF pe zi în teren cdss.berkeley.edu. (~285 g înseamnă aproximativ o cană de apă; testele de laborator în condiții ideale oferă chiar mai mult.) Impresionant, a realizat acest lucru folosind fără nicio sursă externă de energie în afară de lumina soarelui, ceea ce înseamnă zero emisii de gaze cu efect de seră sau necesar de electricitate cdss.berkeley.edu. Acest lucru este posibil deoarece MOF-ul adsorbe mai întâi vaporii de apă din aerul rece al nopții; apoi, soarele din timpul zilei încălzește MOF-ul, determinând eliberarea apei sub formă de vapori, care sunt condensați în lichid într-un colector. MOF-ul poate funcționa pentru multe cicluri fără pierderi de performanță și poate fi regenerat pur și simplu prin uscare, ceea ce îl face un burete de apă robust pentru utilizare pe termen lung cdss.berkeley.edu.
MOF-ul folosit în cel mai recent dispozitiv este un cadru pe bază de aluminiu (numit MOF-303) care are o afinitate puternică pentru apă, dar o eliberează și la temperaturi moderate (~80 °C). Acest MOF a fost ales pentru performanța sa excepțională: poate colecta apă chiar și în condiții extrem de aride și este stabil pe parcursul a mii de cicluri businesswire.com. De fapt, MOF-303 a fost testat cu succes în Death Valley, validându-i utilizarea practică în medii extreme businesswire.com. În timpul testelor, dispozitivul a atins o recuperare a apei de aproximativ 85–90% din apa adsorbită în fiecare ciclu cdss.berkeley.edu, ceea ce înseamnă că foarte puțină umiditate captată a fost pierdută. Dr. Yaghi, care a condus studiul publicat în Nature Water (iulie 2023), a subliniat importanța: „Aproape o treime din populația lumii trăiește în regiuni cu stres hidric. ONU preconizează că până în 2050, aproape 5 miliarde de oameni vor experimenta stres hidric… Acest lucru este foarte relevant pentru valorificarea unei noi surse de apă.” cdss.berkeley.edu Prin exploatarea uriasa rezervă de apă din atmosferă (chiar și deșerturile au ceva umiditate în aer), dispozitivele MOF oferă o nouă sursă de apă tentantă, descentralizată și durabilă. Spre deosebire de marile uzine de desalinizare (care au nevoie de electricitate și apă de mare), un colector MOF poate fi un aparat personal sau la nivel de sat care funcționează oriunde există aer și lumină solară.Eforturi comerciale sunt acum în curs de desfășurare pentru a scala la scară largă recoltatoarele de apă pe bază de MOF. Mai multe startup-uri, adesea în colaborare cu universități, avansează această tehnologie. Conform unui raport de piață recent, companii precum Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule și Transaera valorifică proprietățile superioare de adsorbție a apei ale MOF-urilor pentru a construi sisteme de răcire și apă de nouă generație businesswire.com. Aceste sisteme pot, conform rapoartelor, genera până la 0,7 litri de apă per kilogram de MOF pe zi chiar și în condiții aride businesswire.com – aproximativ dublul randamentului prototipurilor inițiale – datorită materialelor și designurilor îmbunătățite. Transaera, de exemplu, încorporează MOF-uri în aparate de aer condiționat ultra-eficiente care nu doar răcesc aerul, ci și colectează apă ca bonus (Transaera a fost finalistă la Global Cooling Prize). Un alt efort, realizat de AQUAml (asociat cu MIT), folosește MOF-uri pentru sticle de apă personale care se reumplu din umiditatea aerului. Faptul că MOF-urile pot funcționa la umiditate scăzută înseamnă, de asemenea, că pot fi folosite pentru dezumidificare pasivă în sistemele HVAC, făcând răcirea mai eficientă prin uscarea aerului fără bobine de condensare cas.org.
Recoltatorul de apă pe bază de MOF este un exemplu de primă clasă despre cum aceste materiale pot răspunde nevoilor umanitare și adaptării la schimbările climatice. În zonele cu surse de apă contaminate, dispozitivele pe bază de MOF ar putea furniza apă potabilă sigură cu infrastructură minimă. De asemenea, acestea pot fi scalate modular – poți implementa sute de unități MOF pentru a susține o comunitate sau o singură unitate pentru o familie. Cercetătorii își imaginează chiar sticle de apă care se umplu singure pentru drumeți și generatoare de apă pentru trupele din teren, toate alimentate de MOF-uri și energie solară. Deși costul și scalarea producției sunt următoarele provocări, progresul de până acum este extrem de promițător. După cum glumea un articol, dispozitivele pe bază de MOF care extrag apă din aer fac să pară că „chimia se apropie de magie”, transformând ceva la fel de insubstanțial ca aerul într-una dintre cele mai esențiale resurse ale vieții. Odată cu schimbările climatice care fac secetele mai frecvente, astfel de tehnologii ar putea fi schimbători de joc pentru securitatea apei și o aplicație inspirațională a materialelor avansate pentru binele social.
Alte utilizări emergente (cataliză, baterii și altele)
Dincolo de aplicațiile de bază menționate mai sus, MOF-urile își demonstrează versatilitatea în multe alte domenii. Suprafața lor mare, posibilitatea de ajustare și capacitatea de a încorpora metale active sau grupări funcționale le fac ideale pentru cataliză – accelerarea reacțiilor chimice. MOF-urile pot acționa ca catalizatori în sine sau ca precursori pentru materiale catalitice. De exemplu, MOF-urile cu situri metalice deschise au fost folosite pentru a cataliza conversia CO₂ în combustibili, iar materialele derivate din MOF-uri (cum ar fi structurile de carbon care păstrează metalul dintr-un MOF) au demonstrat performanțe excelente în electrocataliză (de exemplu, pentru reducerea oxigenului în pilele de combustie) cas.org. Un studiu a constatat că nanotuburile de carbon dopate cu azot derivate dintr-un MOF au avut „activitate electrocatalitică și stabilitate îmbunătățite” pentru electroliza apei comparativ cu catalizatorii standard cas.org. Posibilitatea de a proiecta structura atomică a unui catalizator prin intermediul MOF-urilor (uneori numită „nano-turnare”) este foarte atractivă în chimia verde și procesele industriale.MOF-urile sunt de asemenea explorate în dispozitive de stocare a energiei. Cercetătorii testează MOF-uri ca materiale de electrod în baterii litiu-ion, unde structura poroasă poate acomoda ioni de litiu și poate îmbunătăți capacitatea sau viteza de încărcare cas.org. Unele MOF-uri (sau derivații lor) au fost investigate ca materiale pentru supercondensatori pentru stocarea rapidă a energiei cas.org. Deși majoritatea MOF-urilor sunt izolatoare, a apărut o nouă sub-clasă de MOF-uri conductive, care pot transporta electroni și ar putea fi folosite în electronice sau senzori. Există chiar și MOF-uri cu proprietăți magnetice sau feroelectrice intrinseci care sunt studiate pentru dispozitive funcționale avansate.
Un alt domeniu în care se inovează cu MOF-uri este separarea și purificarea gazelor în industria chimică. Am menționat captarea carbonului, dar MOF-urile pot viza și alte separări dificile – de exemplu, izolarea propenăi de propan (un pas critic în fabricarea materialelor plastice) sau îndepărtarea impurităților din gazul natural. Companii precum UniSieve au dezvoltat membrane pe bază de MOF-uri care acționează ca site moleculare, realizând separări eficiente energetic. Într-un caz, o membrană MOF a reușit să separe propena la o puritate de 99,5% de propan businesswire.com, oferind o alternativă cu consum redus de energie la distilare (care consumă de obicei cantități uriașe de energie pentru astfel de separări). În mod similar, filtrele MOF sunt explorate pentru reciclarea agenților frigorifici, purificarea solvenților industriali și chiar pentru curățarea deșeurilor nucleare (captarea iodului sau xenonului radioactiv).
În domeniul electronicii și senzorilor, cercetătorii au realizat filme subțiri pe bază de MOF care sunt selective pentru anumite gaze, cu potențialul de a crea noi tipuri de senzori de gaze sau chiar membrane pentru celule de combustibil. Remedierea mediului este o altă nișă – MOF-urile pot capta poluanți precum PFAS („chimicale eterne”) din apă datorită adsorbției reglabile, iar unele MOF-uri fotocatalitice pot descompune poluanți organici sub acțiunea luminii.În cele din urmă, MOF-urile au și unele utilizări amuzante, dar interesante: ce părere aveți despre țesături MOF care absorb mirosuri sau agenți chimici (pentru îmbrăcăminte de protecție)? Sau straturi MOF în frigidere pentru a absorbi etilena și a păstra alimentele proaspete mai mult timp? Toate aceste idei sunt în curs de testare. Concluzia este că MOF-urile reprezintă un material-platformă: la fel cum polimerii sau siliciul au găsit nenumărate utilizări, MOF-urile sunt un briceag elvețian în lumea materialelor. După cum a spus o analiză de piață, „Proprietățile excepționale ale MOF-urilor – inclusiv suprafețe record, pori reglabili și chimie personalizabilă – permit soluții pentru unele dintre cele mai presante provocări ale societății.” businesswire.com De la aer și apă curate la energie curată și sănătate, MOF-urile își pun amprenta pe o gamă largă de inovații.
Peisaj global: Cercetare, brevete și comercializare la nivel mondial
Entuziasmul din jurul MOF-urilor este cu adevărat global. După descoperirile inițiale din SUA (munca profesorului Yaghi la UC Berkeley și UCLA) și Japonia (descoperirile independente ale profesorului Susumu Kitagawa privind MOF-urile la Kyoto), cercetarea s-a răspândit rapid în America de Nord, Europa, Asia și dincolo de acestea. Statele Unite ale Americii rămân un centru de inovație în domeniul MOF-urilor, cu universități de top (Berkeley, MIT, Northwestern etc.), laboratoare naționale și companii care împing limitele acestui domeniu. Mai multe startup-uri americane, adesea desprinse din laboratoare academice, comercializează MOF-uri: NuMat Technologies (Illinois) se concentrează pe stocarea gazelor și a vândut chiar și cilindri de gaz echipați cu MOF-uri (ION-X) care stochează gaze toxice pentru industria semiconductorilor într-un mod mai sigur, la presiune subatmosferică businesswire.com. NuMat raportează, de asemenea, o capacitate de producție de ~300 tone/an de MOF-uri la facilitățile sale businesswire.com. Mosaic Materials din California (menționată anterior pentru captarea CO₂) și Transaera (Massachusetts, pentru răcire) sunt alte inițiative notabile din SUA. Gigantul industrial BASF din Germania a fost unul dintre primii care au investit masiv în MOF-uri; a crescut producția de MOF-uri în anii 2010 (producând un MOF pe bază de cupru în cantități de tone) și are acum o capacitate anuală de câteva sute de tone la Ludwigshafen businesswire.com. MOF-ul BASF (comercializat sub numele Basolite) este folosit chiar și în unele produse comerciale, precum sticla izolatoare eficientă energetic de înaltă calitate și filtre chimice. Europa are o rețea academică puternică în domeniul MOF-urilor (de exemplu, UE organizează conferințe precum EuroMOF), iar Uniunea Europeană a finanțat proiecte precum MOST-H2 (stocarea hidrogenului) și AMADEUS (stocarea amoniacului cu MOF-uri) pentru a accelera cercetarea aplicată.China a devenit un contributor prolific la știința MOF în ultimul deceniu. De fapt, după metricile de publicare, cercetătorii chinezi reprezintă o mare parte din noile lucrări și brevete MOF – în domenii de la captarea carbonului la livrarea de medicamente. Un studiu bibliometric a remarcat că „China a adus contribuții semnificative și deține o poziție de lider în MOF-urile din cercetarea cancerului” pmc.ncbi.nlm.nih.gov, pentru a da un exemplu. Instituții chineze majore precum Universitatea Jilin, Universitatea Nankai și Academia Chineză de Științe au centre dedicate MOF care explorează totul, de la baterii pe bază de MOF la catalizatori pentru conversia CO₂ în combustibil. Impulsul guvernului chinez pentru neutralitatea carbonului până în 2060 a stimulat interesul pentru MOF-uri în tehnologiile de decarbonizare. Deși China nu are încă la fel de multe startup-uri MOF cunoscute la nivel global, are o colaborare puternică industrie-academie. Notabil, China conduce în stocarea metanului pe bază de MOF pentru vehicule (un domeniu în care rezervoarele umplute cu adsorbanți ar putea permite vehiculelor pe gaz natural să transporte mai mult combustibil la presiune mai mică) și cercetează MOF-uri pentru captarea emisiilor industriale în cadrul programelor sale naționale CCUS.
Alte regiuni sunt de asemenea active: Japonia continuă să contribuie (cu cercetări ale pionierilor precum Kitagawa și lucrări mai noi despre MOF-uri conductive), Coreea de Sud are companii precum framergy (care colaborează cu grupuri internaționale pentru comercializarea MOF-urilor), iar Australia găzduiește ARC Centre of Excellence in Exciton Science care studiază MOF-urile pentru detecție și foto-cataliză. În Orientul Mijlociu, KAUST din Arabia Saudită este un centru de cercetare MOF (au depus brevete pentru captarea carbonului cu MOF, după cum s-a menționat) cas.org, iar țări precum Emiratele Arabe Unite și Qatar sunt interesate de MOF-uri pentru desalinizarea apei și separarea gazelor, în concordanță cu nevoile lor.
Este important de menționat că dezvoltarea MOF nu mai este limitată la laborator. Numărul brevetelor și al produselor comerciale este în creștere. O analiză realizată de Chemical Abstracts Service la sfârșitul anului 2024 a evidențiat că, deși publicațiile despre MOF au explodat, „creșterea publicațiilor de brevete sugerează că o comercializare pe scară largă a acestei tehnologii este iminentă.” cas.org În special, CAS a observat o activitate semnificativă de brevetare în aplicații legate de decarbonizare (captarea carbonului, energie, stocarea gazelor) și, de asemenea, în domenii precum apă curată și senzori cas.org. Acest lucru indică faptul că firmele și institutele își protejează inovațiile bazate pe MOF pe măsură ce se pregătesc pentru implementarea în lumea reală. În 2024, doar câteva produse bazate pe MOF erau complet comercializate businesswire.com – exemplele includ filtrele de CO₂ ale Svante, containerele de gaz ale NuMat, unele dispozitive de purificare a aerului de nișă și o gamă de pachete de control al umidității pe bază de MOF. Dar se pare că ne aflăm la un punct de cotitură. „Piața globală MOF trece în prezent printr-o tranziție critică de la cercetarea academică la aplicarea industrială,” notează un raport ResearchAndMarkets, care estimează că industria va crește cu aproximativ 30% anual de acum înainte businesswire.com. Până în 2035, aplicațiile MOF ar putea reprezenta o piață de mai multe miliarde de dolari, în special datorită captării carbonului, stocării hidrogenului, colectării apei și separărilor chimice businesswire.com.
Partea de producție se extinde, de asemenea: aproximativ 50 de companii la nivel mondial produc acum MOF-uri, deși o mare parte din capacitate este concentrată la câțiva jucători (precum BASF și NuMat) businesswire.com. Provocările cu care se confruntă includ extinderea producției de la grame de laborator la tone industriale, menținând în același timp calitatea, și realizarea acestui lucru într-un mod eficient din punct de vedere al costurilor businesswire.com. Încurajator este faptul că se înregistrează progrese – costurile au scăzut pe măsură ce tehnicile s-au îmbunătățit, iar companiile au dezvoltat metode de producție continuă (spre deosebire de sinteza lentă pe loturi) pentru a produce MOF-uri în cantități mai mari businesswire.com. De exemplu, Promethean Particles din Marea Britanie folosește un reactor cu flux continuu pentru a produce MOF-uri și alte nanomateriale, iar novoMOF din Elveția oferă servicii de producție contractuală de MOF-uri la scară largă. Aceste evoluții sugerează că, dacă va apărea o cerere mare (de exemplu, mii de tone pentru unități de captare a carbonului), partea de ofertă va fi pregătită să o satisfacă.
Colaborarea internațională este, de asemenea, evidentă: oamenii de știință din diferite țări co-semnează frecvent articole despre MOF-uri, iar există conferințe globale (de exemplu, MOF2023 la Melbourne, MOF2024 la Vancouver) care reunesc comunitatea. Acest lucru ajută la răspândirea celor mai bune practici și la evitarea eforturilor duplicate, având în vedere spațiul chimic enorm al MOF-urilor.
Perspective: De ce MOF-urile contează pentru un viitor sustenabil
Așa cum am văzut, MOF-urile se află la intersecția dintre știința materialelor avansate și rezolvarea problemelor din lumea reală. Ele sunt adesea prezentate ca un „factor de schimbare a jocului” pentru sustenabilitate deoarece permit procese care anterior erau imposibile sau ineficiente. Captarea carbonului este un exemplu principal – făcând mai puțin intensiv energetic procesul de eliminare a CO₂, MOF-urile ar putea permite implementarea pe scară largă a captării carbonului la centrale electrice și fabrici, reducând semnificativ emisiile de gaze cu efect de seră. Stocarea energiei curate este un alt exemplu: MOF-urile ar putea, în sfârșit, face ca hidrogenul (și poate alte gaze precum metanul) să fie practici ca combustibili curați, rezolvând problema stocării. În domeniul apei curate, MOF-urile creează literalmente apă din aer sau purifică apa ieftin, abordând lipsa și contaminarea fără infrastructură masivă. În sănătate, MOF-urile aduc speranță pentru administrarea țintită a medicamentelor și diagnosticare sensibilă, putând salva vieți prin terapii mai inteligente. Și în întreaga chimie industrială, MOF-urile oferă procese de separare și cataliză mai eficiente energetic, ceea ce ar putea reduce amprenta de carbon a producerii substanțelor chimice de zi cu zi.Este rar ca o singură clasă de materiale să aibă impact asupra atâtor sectoare – și de aceea MOF-urile sunt adesea comparate cu „noul siliciu” sau „noul plastic” în termeni de potențial transformator. Ele reprezintă o nouă modalitate de a construi materiale de la zero cu precizie (ceea ce le-a adus comparații cu LEGO sau Tinkertoys la nivel molecular). Această abordare de proiectare reticulară era în mare parte teoretică acum câteva decenii; acum este un set de instrumente practic, adoptat de chimiști și ingineri din întreaga lume.
Experții cred că suntem pe punctul ca MOF-urile să treacă de la curiozități de laborator la materiale de bază omniprezente integrate în diverse tehnologii. „Cu toate aplicațiile lor potențiale, MOF-urile determină descoperiri importante în unele dintre cele mai provocatoare domenii științifice,” a scris un analist ACS, adăugând că îmbunătățirile în AI și învățarea automată accelerează selecția MOF-urilor, „ceea ce înseamnă că mai multe progrese și utilizări comerciale ar putea fi aproape.” cas.org Cronologia pentru pătrunderea MOF-urilor pe piață se scurtează deja: dacă primul MOF a fost creat în 1995, a fost nevoie până în anii 2020 pentru a apărea primele utilizări comerciale, dar este posibil să vedem zeci de produse bazate pe MOF-uri în următorii câțiva ani. Giganții industriei sunt atenți – companiile petroliere și de gaze vizează MOF-urile pentru procese mai curate, firmele de tehnologie se uită la MOF-uri pentru filtre de aer în centrele de date, iar companiile auto sunt interesate de rezervoare de hidrogen cu MOF-uri și filtre de CO₂ pentru aerul din habitaclu.
La nivel global, sprijinul pentru cercetarea și implementarea MOF se aliniază cu priorități urgente precum acțiunea pentru climă, dezvoltarea durabilă și fabricarea avansată. Guvernele și investitorii finanțează startup-uri și proiecte pilot MOF, recunoscând că aceste materiale ar putea oferi țării lor un avantaj competitiv în tehnologia curată. În SUA și Europa, MOF-urile apar în foile de parcurs pentru captarea carbonului și stocarea hidrogenului. Cele mai recente planuri cincinale ale Chinei pun accent pe materiale noi și sustenabilitate – domenii aflate chiar în centrul MOF-urilor. Organizațiile internaționale sunt și ele implicate: de exemplu, captarea carbonului pe bază de MOF a fost evidențiată la recentele conferințe CCUS decarbonfuse.com, iar colectarea apei cu MOF a fost prezentată de mass-media precum BBC și Scientific American, aducând atenția publicului asupra acestor inovații.
Desigur, rămân provocări. Costurile de producție și scalabilitatea necesită îmbunătățiri continue (deși, după cum s-a menționat, se înregistrează progrese semnificative în această privință businesswire.com). Stabilitatea pe termen lung a MOF-urilor în condiții reale (expuse la impurități, cicluri repetate) trebuie dovedită de la caz la caz. Și fiecare aplicație trebuie să facă față concurenței din partea altor tehnologii (de exemplu, poate captarea carbonului cu MOF să depășească noile sisteme cu solvenți sau membrane? Pot colectoarele de apă cu MOF să depășească desalinizarea tradițională la scară mare?). Aceste întrebări își vor găsi răspunsul în anii următori prin proiecte demonstrative și analize economice. Semnele timpurii sunt încurajatoare: acolo unde MOF-urile excelează, ele chiar excelează – oferind capabilități fără egal față de alternative (de exemplu, niciun alt material nu poate capta apa la 10% umiditate atât de eficient sau nu poate stoca atât de mult hidrogen într-o formă atât de ușoară).
În concluzie, MOF-urile ilustrează puterea inovației chimice de a aborda provocările globale. Au început ca o curiozitate în laboratoarele de chimie și au evoluat într-o platformă cu potențialul de a face industria mai curată, energia mai sustenabilă și resursele precum apa mai accesibile. Efortul la nivel mondial de a dezvolta MOF-uri – de la startup-uri americane la universități chineze, consorții europene de cercetare până la laboratoare din Orientul Mijlociu – subliniază un optimism comun în aceste materiale. După cum a spus pe scurt un raport, MOF-urile „tranziționează de la curiozitate științifică la realitate comercială,” rezolvând probleme în captarea carbonului, apă, energie și altele businesswire.com. Dacă tendințele actuale continuă, este posibil ca MOF-urile să lucreze în curând discret în spatele scenei în multe aspecte ale vieții de zi cu zi, ajutând la realizarea unei lumi mai verzi și mai avansate. Data viitoare când bei o gură de apă în deșert, conduci o mașină cu hidrogen sau respiri aer mai curat într-un oraș, un cadru metal-organic ar putea fi chiar motivul pentru care se întâmplă acest lucru.
Surse: Cercetările recente și comentariile experților despre MOF-uri au fost preluate din principalele reviste științifice, comunicate de presă universitare și rapoarte din industrie, inclusiv Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, comunicate Businesswire businesswire.com, CORDIS (UE) cordis.europa.eu și analize de piață businesswire.com, printre altele. Aceste surse evidențiază consensul conform căruia MOF-urile reprezintă o platformă revoluționară în știința materialelor, cu un impact real în creștere rapidă.
