- MOF-ovi imaju svetski rekord po unutrašnjoj površini do oko 7.000 m^2 po gramu, sa teorijskim dizajnima do 14.600 m^2/g.
- Tokom otprilike 20 godina istraživači su stvorili skoro 90.000 jedinstvenih MOF struktura, a teorija predviđa još stotine hiljada.
- MOF-ovi su porozne kristalne mreže izgrađene od metalnih čvorova i organskih poveznika, formirajući podesivu 3D rešetku koja deluje kao molekularna sunđer.
- CALF-20, MOF na bazi cinka, može da zadrži oko jednu tonu CO2 dnevno po kubnom metru u industrijskim uslovima.
- ZnH-MFU-4l je revolucionarni MOF za hvatanje CO2 na visokim temperaturama koji selektivno vezuje CO2 iz vrućih dimnih gasova na oko 300°C, hvatajući više od 90 procenata CO2.
- DCF-1, koji je lansirao Decarbontek sredinom 2025. godine, je jeftin MOF napravljen od cink oksida i limunske kiseline, a predviđa se da će koštati oko 10 dolara po kilogramu u punoj proizvodnji.
- Svante testira sistem za sorpciju CO2 sa CALF-20 MOF-om u cementari, sposoban da uhvati oko 1 tonu CO2 dnevno.
- MOF-303, MOF za sakupljanje vode na bazi aluminijuma, omogućio je ručni sakupljač u Dolini smrti 2023. godine koji je povratio oko 85–90% adsorbovane vode, isporučujući do 285 grama po kilogramu dnevno.
- EU MOST-H2 projekat, pokrenut 2022. godine, koristi veštačku inteligenciju za selekciju MOF-ova za skladištenje vodonika; do 2025. izveštava o napretku sa preko 10.000 analiziranih struktura i prototipovima koji ispunjavaju DOE ciljeve u kriogenim uslovima.
- MIL-101(Cr) može se proširiti od oko 2,5 nm do 5 nm tretmanom sirćetnom kiselinom, što omogućava veće punjenje ibuprofenom i 5-fluorouracilom i brže oslobađanje.
Prekretnica u naprednim materijalima i održivosti
Zamislite materijal sa toliko velikom unutrašnjom površinom da prstohvat tog materijala sadrži ekvivalent površine šest fudbalskih terena news.berkeley.edu. Takvi metal-organski okviri (MOF-ovi) su porozna, kristalna jedinjenja napravljena od metalnih čvorova povezanih organskim vezama, stvarajući mreže nalik sunđeru na molekularnom nivou. Naučnici ističu MOF-ove kao materijale sa „naizgled neograničenim mogućnostima“ za izgradnju prilagođenih struktura sa specifičnim svojstvima cas.org. Tokom poslednjih 20 godina, istraživanje MOF-ova je eksplodiralo – stvoreno je skoro 90.000 jedinstvenih MOF struktura (uz stotine hiljada još predviđenih u teoriji) cas.org. Ovaj porast je podstaknut obećanjem da MOF-ovi mogu rešiti ključne izazove u održivosti i tehnologiji. Od hvatanja ugljen-dioksida koji zagreva klimu i skladištenja čistog vodoničnog goriva do isporuke lekova i prikupljanja vode iz pustinjskog vazduha, MOF-ovi su na pragu velikih otkrića u oblastima od energetike i zaštite životne sredine do biomedicine cas.orgcas.org. U ovom izveštaju objašnjavamo šta su MOF-ovi, kako funkcionišu i kako se prave, i zašto se smatraju revolucionarnim. Istražićemo glavne primene – uključujući hvatanje ugljenika, skladištenje vodonika, isporuku lekova, senzore i prikupljanje vode – ističući najnovija naučna otkrića, primenu u praksi i uvide stručnjaka. Pregledom globalnog pejzaža (SAD, EU, Kina i šire) i najnovijih dostignuća, videćemo zašto se MOF-ovi smatraju materijalima koji menjaju igru za održiviju budućnost.
Šta su MOF-ovi? Porozni kristali sa rekordnom površinom
Metal-organske mreže (MOF-ovi) su neobična klasa materijala konstruisana poput molekularnih Tinkertoy igračaka. Sastoje se od metalnih jona ili klastera koji deluju kao čvorišta, povezanih organskim molekulima (ligandima) kao potpornjima. Ove komponente se samoorganizuju u otvorenu, kaveznu kristalnu rešetku – u suštini formirajući 3D poroznu mrežu koju drže koordinacione veze cas.org. Rezultat je kristalna sunđerasta struktura: MOF-ovi imaju izuzetno visoku poroznost i površinu, što znači da je njihova unutrašnjost puna sićušnih šupljina i kanala u koje drugi molekuli mogu da uđu. Zapravo, MOF-ovi drže svetski rekord po površini materijala – neki nude do ~7.000 m^2 po gramu, sa teorijskim dizajnima do 14.600 m^2/g cas.org. Da bismo to stavili u perspektivu, samo jedna kašika tipičnog MOF-a može imati unutrašnju površinu veličine nekoliko fudbalskih terena, pružajući obilje prostora za adsorpciju gasova ili drugih molekula news.berkeley.edu.
Ova ogromna unutrašnja površina i podesiva struktura pora su ono što MOF-ove čini posebnim. Menjanjem metalnih čvorova ili organskih linkera, hemičari mogu stvoriti različite MOF-ove sa prilagođenim veličinama pora, oblicima i hemijskim funkcionalnostima cas.org. Gotovo svaka kombinacija je moguća – jedan od pionira ove oblasti, profesor Omar Yaghi (koji je prvi sintetisao MOF-ove 1990-ih), naveo je da je napravljeno na desetine hiljada MOF-ova i da algoritmi predviđaju “još stotine hiljada” cas.org. Ova modularna “retikularna” strategija dizajna znači da naučnici mogu praktično dizajnirati materijale po narudžbini: na primer, MOF može biti projektovan da preferira hvatanje CO₂ molekula ili da svetli u prisustvu toksina, jednostavnim izborom odgovarajućih građevinskih blokova. Druga strana ove raznolikosti je izazov – sa toliko mogućih struktura, može biti teško predvideti koji MOF će najbolje raditi za određeni zadatak cas.org. (Istraživači sve više koriste veštačku inteligenciju i mašinsko učenje da pretraže baze podataka MOF-ova i predlože najperspektivnije kandidate, o čemu ćemo kasnije ponovo govoriti cas.org.)
Ukratko, MOF je poput ultra-fine sunđera ili skela na nanonivou. Sastoji se od neorganskih i organskih delova koji su povezani u ponovljivu rešetku, što rezultira čvrstim materijalom koji je uglavnom prazan prostor. Te prazne pore mogu da prime molekule goste. Ključno je da MOF-ovi obično ostaju čvrsti čak i nakon što se njihovi početni “gosti” rastvarači uklone – prazna struktura ostaje netaknuta i porozna, spremna da adsorbuje nove molekule i otpusti ih pod odgovarajućim uslovima en.wikipedia.org. Ovo reverzibilno preuzimanje i otpuštanje je ključno za primene od skladištenja gasa do isporuke lekova. Kao što objašnjava dr Kurtis Carsch, hemičar sa UC Berkeley: „Kao rezultat svojih jedinstvenih struktura, MOF-ovi imaju visoku gustinu mesta na kojima možete uhvatiti i otpustiti CO₂ pod odgovarajućim uslovima” news.berkeley.edu – ili na sličan način uhvatiti i otpustiti druge molekule. U suštini, MOF-ovi nude neviđenu kombinaciju velikog kapaciteta (zbog ogromne površine), podesivosti (hemijskim dizajnom) i reverzibilnosti, što ih čini moćnom platformom u nauci o materijalima.
Kako se MOF-ovi prave i kako funkcionišu?
Sinteza MOF-a često je lakša nego što njegova složena struktura sugeriše. Tipično, naučnici rastvore izvor metala (kao što je so metala) i organsku vezujuću molekulu u rastvaraču, a zatim podstiču formiranje kristala sporim mešanjem, zagrevanjem ili isparavanjem. Joni metala i veziva spontano se koordinišu i kristališu u uređenu strukturu – rastući MOF kristal slično kao što se kamenčići šećera talože iz rastvora šećera, ali na molekularnom nivou. Mnogi MOF-ovi se prave putem solvotermalnih metoda (zagrevanje sastojaka u zatvorenoj posudi), iako novije tehnike uključuju sintezu uz pomoć mikrotalasa, sušenje prskanjem, pa čak i mehanokemijsko mlevenje bez rastvarača. Ono što je izuzetno jeste da MOF-ovi često mogu da se samoorganizuju pod relativno blagim uslovima. Na primer, nedavno otkriven MOF za hvatanje ugljenika pod nazivom DCF-1 sintetiše se jednostavnim mešanjem cink oksida sa limunskom kiselinom u vodi – „bezbedna, održiva i patentirana metoda” koja daje visokoučinkovit MOF po niskoj ceni businesswire.com. Ovo ilustruje kako istraživači unapređuju metode proizvodnje kako bi smanjili troškove i izbegli upotrebu agresivnih hemikalija. MOF kristali mogu biti veličine od nanometra do milimetra, a obično se prerađuju u prahove ili formiraju u pelete i membrane za praktičnu upotrebu.
Način na koji MOF-ovi funkcionišu svodi se na adsorpciju i selektivnost. Njihove pore deluju kao mali ormarići za skladištenje ili zamke za molekule. Kada je MOF izložen gasu ili tečnosti, ciljni molekuli mogu ući u pore i zalepiti se za unutrašnje površine (putem van der Valsovih sila, hemijskih interakcija na specifičnim mestima itd.). Pošto MOF-ovi imaju ogromnu unutrašnju površinu i često hemijske grupe koje vezuju određene molekule, mogu upiti zapanjujuće količine. Na primer, jedan MOF (CALF-20, okvir na bazi cinka) može da zadrži oko jednu tonu CO₂ dnevno po kubnom metru materijala u industrijskim uslovima businesswire.com – praktično delujući kao ogromna sunđer za ugljen-dioksid. Ipak, adsorpcija je obično reverzibilna: promenom uslova (zagrejavanjem MOF-a, snižavanjem pritiska ili ispiranjem drugim gasom), zarobljeni molekuli se oslobađaju (desorbuju) i MOF se regeneriše za novi ciklus news.berkeley.edu. Ovaj ciklični proces hvatanja i oslobađanja je ključan za primene kao što su hvatanje ugljen-dioksida ili skladištenje gasova, gde MOF mora biti više puta korišćen. U primeru hvatanja CO₂, kada se MOF zasiti CO₂, “CO₂ se može ukloniti snižavanjem njegovog parcijalnog pritiska – ili ispiranjem drugim gasom ili stavljanjem pod vakuum. MOF je tada spreman za ponovnu upotrebu u novom ciklusu adsorpcije” news.berkeley.edu.
Unutrašnja hemija svakog MOF-a može se podesiti da preferira određene molekule u odnosu na druge, čineći ih izuzetno selektivnim. Neki MOF-ovi imaju otvorena metalna mesta ili funkcionalne grupe u svojim porama koje deluju kao kukice za specifične gasove. Drugi su ukrašeni molekulima (kao što su amini ili bakarna mesta) koji reaguju sa ciljem (kao što je CO₂). Ova mogućnost podešavanja je velika prednost – za razliku od tradicionalnih poroznih materijala (npr. aktivni ugalj ili zeoliti) koji imaju fiksna svojstva, MOF-ovi se mogu dizajnirati po meri. “Njihova podesiva svojstva su ključni faktor,” navodi se u izveštaju CAS Insights, “velika površina i poroznost u kombinaciji sa prilagodljivom hemijom daju MOF-ovima sposobnost da adsorbuju gasove i isparljiva jedinjenja, što izaziva ogromno interesovanje za separaciju i skladištenje gasova, posebno za CO₂” cas.org. Ukratko, MOF-ovi funkcionišu tako što selektivno zarobljavaju molekule u svojim nanoskopski malim porama – slično kao sito ili filter napravljen od molekula – i kasnije mogu otpustiti teret kada se aktiviraju. Ovaj jednostavan koncept je osnova za razne upotrebe o kojima ćemo govoriti, od uklanjanja CO₂ iz izduvnih gasova, preko gušćeg skladištenja vodonika kao goriva, do prenošenja molekula lekova kroz krvotok.
Glavne primene MOF-ova
Jedinstvene sposobnosti MOF-ova nalik sunđeru čine ih korisnim u iznenađujuće širokom spektru primena. U nastavku istražujemo neke od najznačajnijih upotreba koje se danas razvijaju – zajedno sa nedavnim otkrićima i primerima u svakoj oblasti.
Hvatanje ugljenika i ublažavanje klimatskih promena
Jedna od najhitnijih primena MOF-ova je hvatanje ugljen-dioksida iz dimnih gasova elektrana ili čak direktno iz vazduha. Smanjenje emisije CO₂ je ključno za borbu protiv klimatskih promena, a MOF-ovi se pojavljuju kao „jedan od najperspektivnijih materijala za hvatanje ugljenika“ jer mogu upijati CO₂ sa većom efikasnošću i manjom potrošnjom energije u poređenju sa konvencionalnim metodama ccarbon.info. Tradicionalna tehnologija za hvatanje ugljenika koristi rastvore amina za vezivanje CO₂, ali amini su korozivni, zahtevaju mnogo energije za regeneraciju i obično rade samo na relativno niskim temperaturama (oko 40–60 °C). Međutim, mnogi industrijski dimni gasovi su mnogo topliji (izduvni gasovi cementara i čeličana mogu prelaziti 200–300 °C), što hvatanje ugljenika čini teškim i skupim jer gasove prvo treba ohladiti news.berkeley.edu. MOF-ovi nude potencijalni iskorak: mogu se dizajnirati da hvataju CO₂ čak i u teškim uslovima, a zatim ga oslobađaju uz umereno zagrevanje ili promenu pritiska, koristeći znatno manje energije ukupno nego aminski apsorberi ccarbon.info.
Krajem 2024. godine, hemičari sa UC Berkeley su izvestili o proboju u MOF materijalu koji može da hvata CO₂ iz vrućih dimnih gasova bez prethodnog hlađenja. Materijal, poznat kao ZnH-MFU-4l, sadrži cink-hidridne sajtove unutar svojih pora koji snažno vezuju CO₂ na visokim temperaturama. „Otkrili smo da MOF može da hvata ugljen-dioksid na do sada neviđeno visokim temperaturama – temperaturama relevantnim za mnoge procese koji emituju CO₂,” rekao je dr Kurtis Carsch, jedan od prvih autora studije. „Ovo se ranije nije smatralo mogućim za porozne materijale.” news.berkeley.edu U simuliranim uslovima izduvnih gasova, ovaj MOF je uspeo da selektivno uhvati CO₂ na oko 300 °C (tipično za dimne gasove iz cementara/čeličana) i da uhvati preko 90% CO₂ iz struje (“duboko hvatanje ugljenika”), što je uporedivo sa performansama tečnih amina news.berkeley.edu. Rad na ovako visokim temperaturama eliminiše potrebu za trošenjem energije i vode za hlađenje emisija news.berkeley.edu, što potencijalno čini hvatanje ugljenika izvodljivim za industrije koje je teško dekarbonizovati, poput čelika i cementa. „Pošto entropija favorizuje da molekuli poput CO₂ ostanu u gasnoj fazi sve više sa porastom temperature, generalno se smatralo da je nemoguće hvatati takve molekule poroznim čvrstim materijalima na temperaturama iznad 200 °C,” napomenuo je profesor Jeffrey Long, koji je vodio istraživanje. „Ovaj rad pokazuje da uz pravu funkcionalnost… hvatanje CO₂ velikog kapaciteta zaista može biti ostvareno na 300 °C.” news.berkeley.edu Ovo otkriće otvara novi pravac dizajna (korišćenje metal-hidridnih sajtova u MOF-ovima) za materijale za hvatanje ugljenika nove generacije news.berkeley.edu.
MOF-ovi takođe briljiraju u konvencionalnijim ulogama za hvatanje CO₂. Interesovanje startapova i korporacija je naglo poraslo: ExxonMobil je podneo patente za MOF tehnologije za hvatanje ugljenika cas.org, a istraživači sa KAUST-a u Saudijskoj Arabiji su patentirali MOF-ove za hvatanje CO₂ i razdvajanje gasova cas.org. Brojni startapovi se utrkuju da komercijalizuju filtere za CO₂ zasnovane na MOF-ovima. Na primer, Nuada (startap sa sedištem u EU) istražuje MOF sisteme kako bi pomogao proizvođačima cementa da uhvate CO₂ iz dimnih gasova cas.org. Druga kompanija, Mosaic Materials, razvila je MOF funkcionalizovan aminima za hvatanje CO₂ koji je bio toliko obećavajući da ju je 2022. godine preuzela energetska tehnološka kompanija Baker Hughes radi proširenja proizvodnje news.berkeley.edu. MOF kompanije Mosaic se testira u pilot projektima kao alternativa tečnim aminima, pa čak i za direktno hvatanje CO₂ iz vazduha news.berkeley.edu.Upravo sredinom 2025. godine, Decarbontek, Inc. je objavio da komercijalno proizvodi MOF adsorbens za hvatanje ugljenika. Kompanija je lansirala DCF-1 (De-Carbon Framework-1), nazivajući ga „revolucionarnim, niskobudžetnim, visokoperformantnim MOF-om dizajniranim za skalabilno hvatanje ugljenika”, sada dostupnim po kilogramu ccarbon.info. „Sa lansiranjem DCF-1, postavljamo novi standard za materijale za hvatanje ugljenika,” rekao je dr Yong Ding, izvršni direktor Decarbontek-a. „Efikasan je po ceni, lako se proizvodi i veoma je efikasan – čineći hvatanje ugljenika dostupnim u svim industrijama.” businesswire.com DCF-1 se može proizvoditi jeftino (koristeći uobičajeni cink-oksid i limunsku kiselinu) i ima za cilj da košta samo oko 10 dolara po kilogramu u punoj proizvodnji, „uporedivo sa uobičajenim molekularnim sitima”, prema Dingu businesswire.com. Ovo je značajno jer se MOF-ovi dugo smatraju preskupim za masovnu upotrebu; jeftin, lako proizveden MOF mogao bi ukloniti glavnu prepreku za usvajanje ccarbon.info. Materijal navodno kombinuje visoku apsorpciju CO₂ sa netoksičnim, vodenim procesom proizvodnje, idealnim za nadogradnju na fabrike ili čak izvlačenje CO₂ iz vazduha businesswire.com. Decarbontek-ov proizvod i slični naglašavaju kako se MOF tehnologija pomera iz laboratorije na tržište u oblasti hvatanja ugljenika.
Možda je najopipljiviji znak napretka u pilot projektima: Svante, kanadska kompanija, koristi MOF sorbent (CALF-20, koji proizvodi BASF) u demonstracionom sistemu koji hvata oko 1 tonu CO₂ dnevno iz dimnih gasova cementare businesswire.com. Ovaj test u realnim uslovima pokazuje da MOF-ovi mogu da obrade industrijske gasne tokove i zaista funkcionišu na terenu. Takav razvoj događaja sugeriše da bi MOF-ovi uskoro mogli igrati ključnu ulogu u globalnim naporima za hvatanje, upotrebu i skladištenje ugljenika (CCUS), pomažući industrijama da smanje emisije CO₂. S obzirom na to da je hvatanje ugljenika od suštinskog značaja za ublažavanje klimatskih promena (posebno za sektore koji se teško mogu elektrifikovati), MOF-ovi se široko smatraju “čudesnim materijalom” koji predstavlja proboj za dekarbonizaciju news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Nudeći veću efikasnost i niže energetske gubitke, hvatanje ugljenika pomoću MOF-ova moglo bi omogućiti širu primenu CCUS – važan most ka budućnosti sa neto-nultom emisijom dok se obnovljivi izvori energije šire. Ukratko, MOF-ovi predstavljaju moćan novi alat za upravljanje CO₂, od fabričkih dimnjaka do otvorenog vazduha, zbog čega ova oblast primene ostaje najaktuelniji fokus u istraživanju i komercijalizaciji MOF-ova.
Skladištenje vodonika i čista energija
Ako MOF-ovi mogu pomoći u uklanjanju ugljenika iz naših trenutnih energetskih sistema, oni su takođe spremni da omoguće čiste energetske nosače poput vodonika u budućnosti. Vodonik (H₂) je obećavajuće gorivo bez ugljenika (sagoreva tako da proizvodi samo vodu), ali efikasno skladištenje vodonika predstavlja veliki izazov – H₂ je gas veoma male gustine, a njegovo komprimovanje ili ukapljivanje zahteva mnogo energije i teške rezervoare. MOF-ovi nude način da se vodonik skladišti u kompaktnom, bezbednom obliku putem adsorpcije. Suštinski, gasoviti vodonik može se “upakovati” u pore MOF-a u visokoj gustini (posebno na nižim temperaturama), kao jaja u gajbi, i potom otpustiti po potrebi. Ministarstvo energetike SAD i druge institucije postavile su ciljeve za materijale za skladištenje vodonika (po procentu mase i zapremini uskladištenog H₂), a određeni MOF-ovi su se približili ili premašili te ciljeve na kriogenim temperaturama.
U Evropi je u toku koordinisan napor da se iskoriste MOF-ovi za skladištenje vodonika. EU-finansirani MOST-H2 projekat (pokrenut 2022. godine) razvija krio-adsorptivne sisteme za skladištenje vodonika koristeći napredne MOF-ove cordis.europa.eu. U krio-adsorpciji, gasoviti vodonik se hladi (obično na temperature tečnog azota, ~77 K) i adsorbuje na porozni materijal, postižući visoku gustinu bez ekstremnih pritisaka. „Tajno oružje projekta je posebna klasa poroznih kristalnih materijala nazvana MOF-ovi,” koje oblikuju u monolitne MOF adsorbente sa optimalnom kombinacijom zapreminskog i masenog kapaciteta cordis.europa.eu. Do 2025. godine, istraživači MOST-H2 projekta su izvestili o „značajnom napretku” – kombinovali su AI vođeno pretraživanje sa eksperimentima kako bi identifikovali nove MOF jedinjenja koja prevazilaze široko prihvaćene ciljeve za maseni i zapreminski kapacitet skladištenja vodonika cordis.europa.eu. Ova otkrića su obezbeđena putem prijava za patente cordis.europa.eu, što naglašava njihovu novinu. U praksi, MOF prototipovi tima mogu gusto skladištiti vodonik u kriogenim uslovima, u materijalima koji su laki i bezbedni za rukovanje (bez ekstremno visokih pritisaka) i imaju „veoma mali uticaj na životnu sredinu” cordis.europa.eu. Krajnji cilj je integracija ovih MOF-ova u potpuno „od laboratorije do rezervoara” rešenje za skladištenje vodonika za primene kao što su vozila na vodonik (projekat istražuje studije slučaja za vozove na vodonik u Austriji i Italiji) cordis.europa.eu.Jedan značajan aspekt ovog napora je upotreba mašinskog učenja za ubrzanje otkrića. Projekat MOST-H2 je razvio AI alat za predviđanje koji MOF materijali bi bili optimalni za skladištenje vodonika, stvarajući „robustnu bazu podataka materijala visokih performansi“ i pokazujući kako računarske metode mogu preoblikovati razvoj MOF-ova cordis.europa.eu. Virtuelnim ispitivanjem više od 10.000 MOF struktura, a zatim testiranjem najboljih kandidata u laboratoriji, tim je uspeo da identifikuje nekoliko izuzetnih materijala koje su odmah patentirali cordis.europa.eu. Ovakav pristup značajno smanjuje potreban broj pokušaja i grešaka u istraživanju i razvoju materijala. Kao rezultat toga, MOF-ovi iz ovog projekta su na putu da ispune ili premaše stroge ciljeve skladištenja potrebne za praktične rezervoare goriva, a pritom ostaju isplativi i stabilni tokom mnogo ciklusa cordis.europa.eu. Dizajn rezervoara zasnovanog na MOF-u se takođe optimizuje naprednim modeliranjem prenosa toplote i mase i analizom životnog ciklusa, kako bi se osiguralo da može biti skaliran i integrisan u stvarna vozila cordis.europa.eu.
Pored ovog projekta, drugi istraživači su demonstrirali MOF-ove sposobne za izuzetno skladištenje vodonika. Na primer, MOF-74 (poznat okvir) može apsorbovati više vodonika nego bilo koji nespresovani rezervoar na 77 K, što ukazuje na potencijal MOF-ova da uklone usko grlo u skladištenju vodonika innovations-report.com. Opšta strategija je rad blizu kriogenih temperatura – što može zvučati kao energetski zahtevno, ali tehnike poput pametne izolacije ili korišćenja „besplatnog“ hlađenja od isparavanja tečnog vodonika mogu to učiniti izvodljivim. Dobitak bi bili laki rezervoari za vodonik velikog kapaciteta za automobile, autobuse ili avione na gorivne ćelije, koji ne zahtevaju kompresiju od 700 bara ili izuzetno teške rezervoare. Takvi rezervoari bi mogli biti „čvrste“ vodonične baterije, gde MOF granule bezbedno drže vodonik pri umerenim pritiscima. Istraživači takođe istražuju MOF-ove za skladištenje vodonika na sobnoj temperaturi, iako još nijedan materijal ne ispunjava sve DOE ciljeve pri ambijentalnim uslovima.
Ukratko, MOF-ovi su na čelu rešavanja dileme skladištenja vodonika. Oni deluju kao nano-sunđeri koji gusto pakuju molekule vodonika adsorpcijom, omogućavajući da više vodonika stane u zadati volumen pri datom pritisku. Trenutni MOF-ovi u kombinaciji sa kriogenim hlađenjem pokazali su rekordne kapacitete – prevazilazeći ono što tečni vodonik može postići po zapremini u nekim slučajevima – što bi moglo omogućiti vozilima na vodonik da pređu veće udaljenosti sa jednim rezervoarom i brže se dopunjavaju. Sa globalnim interesovanjem za vodonik kao čist izvor energije (za transport, skladištenje u mreži i industriju), napredak poput rezervoara zasnovanih na MOF-ovima je od ključnog značaja. Činjenica da se podnose patenti i finansiraju višegodišnji projekti u EU i drugde ukazuje na poverenje da će MOF-ovi igrati ključnu ulogu u privredi zasnovanoj na vodoniku. Kako je navedeno u jednom izveštaju EU, ovi inovativni materijali obećavaju „jeftina, efikasna i ekološki prihvatljiva rešenja za skladištenje vodonika” za klimatske ciljeve Evrope cordis.europa.eu – izjava koja ima odjeka širom sveta dok države ulažu u H₂ infrastrukturu.
Isporuka lekova i biomedicinske primene
MOF-ovi nisu namenjeni samo za energiju i životnu sredinu – oni takođe izazivaju pažnju u oblasti biomedicine kao novi sistemi za isporuku lekova i sredstva za snimanje. U farmaceutskom kontekstu, MOF-ovi mogu služiti kao nanoskopski nosači za terapeutske molekule. Ideja je da se lek (koji može biti mala molekula, protein ili čak nukleinska kiselina) može učitati u pore MOF-a i zatim transportovati kroz telo, zaštićen MOF kavezom. Porozni okvir ponekad može zaštititi lek od prerane razgradnje, usmeriti njegovo oslobađanje na određenu lokaciju ili omogućiti sporo, kontrolisano oslobađanje tokom vremena. MOF-ovi se čak mogu inženjerski prilagoditi da reaguju na stimuluse (kao što su pH ili svetlost) kako bi pokrenuli oslobađanje leka po potrebi jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Ovo je rastuća oblast istraživanja u nanomedicini.
Jedna prednost MOF-ova je njihova velika nosivost – zbog svoje ogromne površine, mogu da nose mnogo leka u odnosu na svoju težinu. Takođe, mnogi MOF-ovi mogu biti napravljeni od biokompatibilnih komponenti (npr. cink ili gvožđe sa jestivim organskim kiselinama), što znači da mogu da se razgrade u netoksične nusproizvode u telu cas.org. Zapravo, neki MOF-ovi su biorazgradivi i bioprihvatljivi, što ih čini privlačnim za upotrebu u živim organizmima cas.org. Istraživači su skovali termin „nano-MOF-ovi” za veoma male MOF čestice (obično 50–200 nanometara) dizajnirane za injekciju u krvotok ili isporuku u ćelije axial.acs.org. Nekoliko ovih nano-MOF-ova je stiglo do kliničkih ispitivanja za terapiju raka axial.acs.org – na primer, kao nosači za lekove hemoterapije ili za poboljšanje tretmana zračenjem. Ovo pokazuje pravi potencijal MOF-ova kao platforme u medicini.Nedavna studija iz 2024. godine pokazala je kako jednostavne hemijske izmene mogu poboljšati performanse MOF-a u isporuci lekova. Naučnici sa Univerziteta u Majamiju uzeli su dobro poznat MOF nazvan MIL-101(Cr) (hrom-bazirani okvir sa velikim porama) i efektivno ga “naduvali” dodatnim korakom u sintezi acs.org. Tretirali su MOF kristale sa malo sirćetne kiseline (slično sirćetu) kako bi proširili veličinu pora sa oko 2,5 nm na 5 nm, čime su povećali unutrašnju površinu acs.org. Ove MOF čestice sa “proširenim porama” zatim su napunjene sa dva modela leka – ibuprofen (antiinflamatorni lek) i 5-fluorouracil (hemoterapijski lek) – kako bi se testirali kapacitet i kinetika oslobađanja. Rezultati su bili upečatljivi: “Naduvani MOF-ovi su zadržali više ibuprofena ili hemoterapijskog leka u poređenju sa originalnom verzijom i imali su poboljšane performanse kao potencijalno sredstvo za isporuku lekova.” acs.org Pošto su pore bile veće, više molekula leka je moglo da stane unutra, i zaista je modifikovani MOF apsorbovao veću količinu oba leka nego nemodifikovani MIL-101 acs.org. Štaviše, u eksperimentima oslobađanja, MOF sa proširenim porama je oslobađao lekove značajno brže nego originalni, zbog većih otvora koji su delovali kao široka “vrata” za izlazak molekula acs.org. Brže oslobađanje može biti korisno za brzo postizanje terapijskih nivoa, dok se kontrolisano sporo oslobađanje može postići drugim modifikacijama. Istraživači vide ovu jednostavnu metodu ispiranja kiselinom kao način da se podesi profil isporuke MOF-a za različite potrebe acs.org. Kako navode, “jednostavne promene poput ovih mogu maksimizirati efikasnost MOF-ova u budućim aplikacijama za isporuku lekova”, a tekuća istraživanja ispituju kako postići sporo, kontinuirano oslobađanje tokom određenih vremenskih perioda prilagođavanjem strukture pora acs.org.Ovo je samo jedan primer od mnogih. Druge studije su pokazale da MOF-ovi mogu nositi kombinacije lekova, štititi osetljive biomolekule poput proteina ili RNK, pa čak i omogućiti ciljanu isporuku do tumora (prikačivanjem ciljajućih liganada na MOF). Pošto možete kombinovati različite metalne centre, istraživači su otkrili da izbor metala može uticati na brzinu oslobađanja – na primer, jedna studija je pokazala da MOF-ovi napravljeni od magnezijuma oslobađaju testirani lek brže nego oni napravljeni od cirkonijuma, što sugeriše da rastvorljiviji metalni čvorovi dovode do brže degradacije okvira i oslobađanja leka axial.acs.org. Takva saznanja usmeravaju dizajn MOF-ova za “oslobađanje leka na zahtev” i teranostiku (terapija + dijagnostika). Posebno, MOF-ovi takođe mogu služiti kao kontrastna sredstva ili sonde za snimanje; neki sadrže luminescentne lantanoide ili radioaktivne izotope za praćenje, a drugi pojačavaju MRI signale. Luminescentna svojstva određenih MOF-ova čak su omogućila biosenzore koji mogu detektovati biomarkere ili toksine iz okoline promenom fluorescencije cas.org – brišući granicu između isporuke leka i detekcije.Ključno je da rane studije bezbednosti pokazuju da pravilno formulisani MOF-ovi mogu biti netoksični i biorazgradivi u telu cas.org. Na primer, MOF-ovi napravljeni od gvožđa ili cinka sa vezivima koja su dozvoljena u ishrani mogu se razgraditi u nutrijente ili izlučiti iz organizma. Ova biokompatibilnost, u kombinaciji sa velikim kapacitetom za teret i svestranošću, dovela je do toga da stručnjaci MOF-ove nazivaju “obećavajućom novom klasom pametnih nosača lekova” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Iako još nijedan lek zasnovan na MOF-u nije stigao na tržište, klinička ispitivanja koja su u toku sugerišu da je to samo pitanje vremena. U bliskoj budućnosti, MOF nanočestice bi mogle isporučivati hemoterapiju direktnije ćelijama raka, smanjujući neželjene efekte, ili delovati kao “nano-antidoti” koji apsorbuju toksične supstance u telu. Istraživački zamah je snažan – jedan pregled je izbrojao desetine MOF sistema za isporuku lekova za rak, HIV, dijabetes i još mnogo toga koji su u fazi istraživanja pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Ako ovi napori uspeju, MOF-ovi bi mogli otvoriti novu eru precizne medicine, gde lečenje nije samo u vezi sa molekulom leka, već i sa pametnim vozilom koje ga nosi.
Senzori i detekcija
Zahvaljujući svojoj podesivoj hemiji i često inherentnoj luminescenciji, MOF-ovi su se pojavili kao snažne komponente u hemijskim senzorima. Mala promena u strukturi MOF-a – na primer, vezivanje molekula gosta ili prenos elektrona – može se prevesti u detektabilan optički ili električni signal. Ovo čini MOF-ove izuzetnim za detekciju tragova jedinjenja u životnoj sredini, hrani ili čak u ljudskom telu. Istraživači su napravili senzore zasnovane na MOF-ovima za širok spektar ciljeva: jone teških metala, eksplozive (poput para TNT-a), opasne industrijske gasove i biomarkere za bolesti, da navedemo samo neke sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Jedan popularan pristup su luminescentni MOF-ovi (često nazvani LMOF-ovi). Ovo su MOF-ovi koji ili prirodno fluoresciraju ili fosforesciraju, ili su dopirani fluorescentnim molekulima/metalnim jonima. Kada ciljni analit uđe u pore MOF-a, može izazvati promenu luminescencije – možda tako što je gasi, pojačava ili menja njenu boju. Na primer, određeni MOF-ovi koji sadrže lantanoidske metale emituju jak signal koji se može selektivno gasiti specifičnim hemikalijama, omogućavajući detekciju tih hemikalija pri veoma niskim koncentracijama pubs.rsc.org. Postoje MOF-ovi koji deluju kao senzori koji se „uključuju“ za jone metala poput aluminijuma (svetle samo kada se jon veže) pubs.acs.org, ili kao senzori koji menjaju boju za pH ili kiseonik. Pošto MOF-ovi imaju modularnu strukturu, dizajneri senzora mogu direktno ugraditi mesta za prepoznavanje u okvir. Zamislite MOF koji ima džepove za vezivanje savršeno prilagođene za molekul zagađivača – kada se zagađivač uhvati, pokreće prenos elektrona ili energije koji čini da luminescencija MOF-a oslabi ili promeni boju. Takva specifičnost je veoma cenjena u detekciji.
Ključna prednost MOF senzora je što mogu biti izuzetno osetljivi i selektivni, a pritom ostaju stabilni. MOF-ovi često mogu raditi u različitim okruženjima (neki su stabilni u vodi, za detekciju u vodenim sredinama). Istraživači su čak razvili senzore na bazi MOF-ova koji mogu detektovati biomarkere u složenim tečnostima poput urina ili krvi filtriranjem i hvatanjem cilja u jednom koraku sciencedirect.com. Još jedan uzbudljiv pravac su elektrohemijski MOF senzori: provodljivi MOF-ovi ili kompoziti mogu generisati električni odgovor kada se gas ili para adsorbuje, delujući kao nova vrsta “elektronskog nosa” orcasia.org.
Važno je napomenuti da su mnogi MOF-ovi napravljeni od relativno bezbednih komponenti, pa je njihova upotreba u potrošačkim ili biomedicinskim senzorima izvodljiva. Jedan analitičar iz CAS-a je primetio da MOF-ovi mogu biti odlični kao biosenzori jer su neki „niskotoksični i biorazgradivi“, posebno oni koji se koriste u detekciji zasnovanoj na luminiscenciji cas.org. Ovo znači da bi sonda prekrivena MOF-om jednog dana mogla biti korišćena in vivo (unutar tela) za praćenje stanja, ili bi MOF čestice mogle biti deo dijagnostičkog testa koji se bezbedno rastvara nakon upotrebe. Već su MOF senzori testirani za stvari kao što su toksični teški metali u vodi (gde MOF fluorescira u prisustvu žive ili olova) pubs.acs.org, kontaminanti u hrani (pesticidi ili antibiotici koji izazivaju promenu emisije MOF-a) sciencedirect.com, pa čak i kao nosivi senzori za analizu daha.
Jedan primer u razvoju je MOF-bazirani niz senzora za detekciju eksploziva i hemijskih ratnih agenasa. Korišćenjem više MOF-ova, od kojih je svaki podešen da reaguje na različite hemijske oblike, niz može proizvesti jedinstven otisak za određenu supstancu (slično kao što naš nos razlikuje mirise). Drugi primer: istraživači su napravili luminiscentni MOF senzor koji može brzo označiti pokvarenu hranu detekcijom aminskih isparenja iz razgradnje mesa, pružajući promenu boje kao indikator sciencedirect.com. Ova kreativna rešenja pokazuju kako MOF-ovi mogu doprineti javnom zdravlju i bezbednosti.
Ukratko, MOF-ovi donose visoku osetljivost, mogućnost prilagođavanja i stabilnost u tehnologiju senzora. U nekim slučajevima mogu detektovati molekule na nivou delova na milijardu, a njihov odgovor može biti dizajniran tako da se lako očitava (promena boje vidljiva golim okom, ili promena struje/napona za elektronsko očitavanje). Kako standardi za monitoring životne sredine i bezbednost hrane postaju stroži, MOF senzori bi mogli naći široku primenu zahvaljujući kombinaciji preciznosti i praktičnosti. Činjenica da se MOF-ovi mogu napraviti u obliku tankih filmova ili prahova koji prekrivaju uređaje znači da je integracija u hardver senzora prilično izvodljiva. Kompanije i istraživačke laboratorije širom sveta aktivno patentiraju dizajne MOF senzora cas.orgcas.org, što ukazuje da bismo uskoro mogli videti komercijalne proizvode senzora zasnovane na MOF tehnologiji – od pametnih kuhinjskih senzora koji detektuju kvarenje, do ručnih detektora za kvalitet vazduha i bezbednosne pretnje. Ovo je dinamično područje gde se hemija i inženjering susreću, a MOF-ovi su na samom vrhu u omogućavanju da naš svet postane merljiv i detektabilan u najsitnijim detaljima.
Prikupljanje vode i tehnologije za čistu vodu
Možda jedna od najfuturističkijih primena MOF-ova – a ipak već demonstrirana u stvarnom životu – jeste izvlačenje pijaće vode iz vazduha. Prikupljanje atmosferske vode je tehnologija koja ima za cilj da izvuče vlagu iz vazduha (čak i u suvim pustinjskim klimama) kako bi obezbedila svežu vodu. Tradicionalni odvlaživači ili mreže za maglu zahtevaju relativno vlažan vazduh ili mnogo energije. Ali MOF-ovi su pokazali sposobnost da hvataju vodu iz izuzetno suvog vazduha (čak do 10–20% relativne vlažnosti) i zatim je oslobađaju uz minimalan utrošak energije, što ih čini idealnim za generatore vode van mreže u područjima pogođenim sušom.
Koncept je pionirski razvio profesor Omar Yaghi (izumitelj MOF-ova) i njegove kolege. Godine 2017. prvi put su izvestili o MOF-u (MOF-801) koji može da prikuplja vodu iz pustinjskog vazduha koristeći samo sunčevu svetlost kao izvor energije. Brzo napred do 2023. godine, i tehnologija je značajno napredovala. Istraživači sa UC Berkeley su predstavili ručni uređaj za prikupljanje vode koristeći MOF-ove, koji je testiran u Dolini smrti – jednom od najsuvljih i najtoplijih mesta na Zemlji. Uređaj, veličine malog ranca i potpuno napajan ambijentalnom sunčevom svetlošću, više puta je ciklusno prikupljao vodu noću i oslobađao je kao tečnost tokom dana. „Ovi testovi su pokazali da uređaj može obezbediti čistu vodu bilo gde,” izvestio je tim, nazivajući ga hitnim rešenjem jer „klimatske promene pogoršavaju uslove suše.” cdss.berkeley.edu MOF-ov uređaj za prikupljanje vode uspeo je da izvuče vlagu iz vazduha sa samo 10% vlažnosti i proizvede do 285 grama vode po kilogramu MOF-a dnevno na terenu cdss.berkeley.edu. (~285 g je otprilike jedna šolja vode; laboratorijski testovi pod idealnim uslovima daju još više.) Impresivno je što je to postignuto koristeći nema spoljne energije osim sunčeve svetlosti, što znači nultu emisiju gasova staklene bašte ili potrebnu električnu energiju cdss.berkeley.edu. Ovo je moguće zato što MOF prvo adsorbuje vodenu paru iz hladnog noćnog vazduha; zatim dnevno sunce zagreva MOF, uzrokujući da on otpusti vodu kao paru koja se kondenzuje u tečnost u sakupljaču. MOF može raditi mnogo ciklusa bez gubitka performansi i može se regenerisati jednostavnim sušenjem, što ga čini izdržljivom „sunđerom za vodu” za dugotrajnu upotrebu cdss.berkeley.edu.
MOF koji se koristi u najnovijem uređaju je aluminijumski okvir (nazvan MOF-303) koji ima snažnu afinitet prema vodi, ali je takođe otpušta na umerenim temperaturama (~80 °C). Ovaj MOF je izabran zbog izuzetnih performansi: može sakupljati vodu čak i u izuzetno suvim uslovima i stabilan je tokom hiljada ciklusa businesswire.com. Zapravo, MOF-303 je uspešno testiran u Dolini smrti, čime je potvrđena njegova praktična upotreba u ekstremnim okruženjima businesswire.com. Tokom testova, uređaj je postigao povraćaj vode od oko 85–90% adsorbovane vode u svakom ciklusu cdss.berkeley.edu, što znači da je vrlo malo uhvaćene vlage izgubljeno. Dr. Jagi, koji je vodio studiju objavljenu u Nature Water (jul 2023), istakao je značaj: „Gotovo trećina svetske populacije živi u oblastima sa nedostatkom vode. UN predviđa da će do 2050. godine skoro 5 milijardi ljudi iskusiti nestašicu vode… Ovo je veoma važno za iskorišćavanje novog izvora vode.” cdss.berkeley.edu Korišćenjem ogromnog rezervoara vode u atmosferi (čak i pustinje imaju nešto vlage u vazduhu), MOF uređaji nude primamljiv novi izvor vode koji je decentralizovan i održiv. Za razliku od velikih postrojenja za desalinizaciju (koja zahtevaju električnu energiju i morsku vodu), MOF sakupljač može biti lični ili uređaj za celo selo koji radi bilo gde gde ima vazduha i sunčeve svetlosti.Komercijalni napori su sada u toku kako bi se MOF uređaji za prikupljanje vode podigli na viši nivo. Nekoliko startapova, često u saradnji sa univerzitetima, unapređuje ovu tehnologiju. Prema nedavnom izveštaju sa tržišta, kompanije kao što su Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule i Transaera koriste izuzetna svojstva MOF-ova za adsorpciju vode kako bi izgradili sisteme za hlađenje i vodu nove generacije businesswire.com. Ovi sistemi navodno mogu da generišu do 0,7 litara vode po kilogramu MOF-a dnevno čak i u sušnim uslovima businesswire.com – otprilike duplo više od prinosa prvobitnih prototipova – zahvaljujući poboljšanim materijalima i dizajnu. Transaera, na primer, ugrađuje MOF-ove u ultraefikasne klima uređaje koji ne samo da hlade vazduh, već i prikupljaju vodu kao dodatnu korist (Transaera je bila finalista na Global Cooling Prize takmičenju). Još jedan projekat, AQUAml (povezan sa MIT-om), koristi MOF-ove za lične boce za vodu koje se pune iz vlažnosti vazduha. Činjenica da MOF-ovi mogu da rade pri niskoj vlažnosti takođe znači da se mogu koristiti za pasivnu dehumidifikaciju u HVAC sistemima, čineći hlađenje efikasnijim tako što suše vazduh bez kondenzacionih zavojnica cas.org.
MOF uređaj za prikupljanje vode je odličan primer kako ovi materijali mogu da odgovore na humanitarne potrebe i prilagođavanje klimatskim promenama. U oblastima sa zagađenim izvorima vode, MOF uređaji bi mogli da obezbede bezbednu pijaću vodu uz minimalnu infrastrukturu. Takođe se mogu modularno skalirati – možete postaviti stotine MOF jedinica za podršku zajednici ili jednu jedinicu za porodicu. Istraživači čak zamišljaju boce za vodu koje se same pune za planinare i generatore vode za vojnike na terenu, sve pokretane MOF-ovima i sunčevom svetlošću. Iako su troškovi i skaliranje proizvodnje sledeće prepreke, dosadašnji napredak je izuzetno obećavajući. Kako je jedan članak duhovito primetio, MOF-ovi koji omogućavaju uređaje za dobijanje vode iz vazduha čine da to deluje kao „hemija na granici magije“, pretvarajući nešto tako neuhvatljivo kao što je vazduh u jedan od najvažnijih resursa za život. Sa klimatskim promenama koje čine suše češćim, ovakve tehnologije bi mogle biti prekretnica za bezbednost vodosnabdevanja i inspirativna primena naprednih materijala za opšte dobro.
Ostale nove primene (kataliza, baterije i još mnogo toga)
Pored glavnih primena navedenih iznad, MOF-ovi pokazuju svoju svestranost u mnogim drugim oblastima. Njihova velika površina, mogućnost podešavanja i sposobnost inkorporacije aktivnih metala ili funkcionalnih grupa čine ih idealnim za katalizu – ubrzavanje hemijskih reakcija. MOF-ovi mogu služiti kao katalizatori sami po sebi ili kao prekursori katalitičkih materijala. Na primer, MOF-ovi sa otvorenim metalnim mestima korišćeni su za katalizu konverzije CO₂ u goriva, a materijali izvedeni iz MOF-ova (poput ugljeničnih okvira koji zadržavaju metal iz MOF-a) pokazali su odlične performanse u elektrokatalizi (npr. za redukciju kiseonika u gorivnim ćelijama) cas.org. Jedno istraživanje je otkrilo da su azotom dopirane ugljenične nanocevi izvedene iz MOF-a imale „poboljšanu elektrokatalitičku aktivnost i stabilnost“ za elektrolizu vode u poređenju sa standardnim katalizatorima cas.org. Mogućnost dizajniranja atomske strukture katalizatora putem MOF-ova (ponekad nazvana „nano-livenje“) veoma je privlačna u zelenoj hemiji i industrijskim procesima.
MOF-ovi se takođe istražuju u uređajima za skladištenje energije. Istraživači testiraju MOF-ove kao materijale za elektrode u litijum-jonskim baterijama, gde porozna struktura može da primi litijum-jone i potencijalno poboljša kapacitet ili brzinu punjenja cas.org. Neki MOF-ovi (ili njihovi derivati) su ispitivani kao materijali za superkondenzatore za brzo skladištenje energije cas.org. Iako su većina MOF-ova izolatori, pojavila se nova podklasa provodnih MOF-ova koji mogu transportovati elektrone i možda se koristiti u elektronici ili senzorima. Čak se proučavaju i MOF-ovi sa intrinzičnim magnetnim ili feroelektričnim osobinama za napredne funkcionalne uređaje.
Još jedna oblast u kojoj se dešavaju inovacije sa MOF-ovima je separacija i prečišćavanje gasova u hemijskoj industriji. Dotakli smo se hvatanja ugljenika, ali MOF-ovi mogu ciljati i druge teške separacije – na primer, izdvajanje propena iz propana (kritičan korak u proizvodnji plastike) ili uklanjanje nečistoća iz prirodnog gasa. Kompanije poput UniSieve razvile su membrane na bazi MOF-ova koje deluju kao molekularna sita, postižući energetski efikasne separacije. U jednom slučaju, MOF membrana je uspela da izdvoji propen do 99,5% čistoće iz propana businesswire.com, nudeći potencijalno niskoenergetsku alternativu destilaciji (koja inače troši ogromnu količinu energije za takve separacije). Slično, MOF filteri se istražuju za reciklažu rashladnih sredstava, prečišćavanje industrijskih rastvarača, pa čak i za sanaciju nuklearnog otpada (zarobljavanje radioaktivnog joda ili ksenona).
Na polju elektronike i senzora, istraživači su napravili MOF-ove tankih filmova koji su selektivni za određene gasove, potencijalno za stvaranje novih tipova gasnih senzora ili čak membrana za gorivne ćelije. Sanacija životne sredine je još jedna niša – MOF-ovi mogu da uhvate zagađivače poput PFAS-a (“večne hemikalije”) iz vode zahvaljujući svojoj podesivoj adsorpciji, a neki fotokatalitički MOF-ovi mogu da razgrade organske zagađivače pod svetlom.
Na kraju, MOF-ovi imaju i neke neobične, ali intrigantne potencijalne upotrebe: šta kažete na MOF tkanine koje apsorbuju mirise ili hemijska sredstva (za zaštitnu odeću)? Ili MOF premaze u frižiderima koji apsorbuju etilen i čuvaju hranu svežom? Sve ove ideje se testiraju. Suština je da MOF-ovi predstavljaju platformski materijal: baš kao što su polimeri ili silicijum pronašli bezbroj upotreba, MOF-ovi su švajcarski nož u svetu materijala. Kako je naveo jedan izveštaj sa tržišta, “Izuzetna svojstva MOF-ova – uključujući rekordno velike površine, podesive pore i prilagodljivu hemiju – omogućavaju rešenja za neke od najhitnijih izazova društva.” businesswire.com Od čistog vazduha i vode do čiste energije i zdravlja, MOF-ovi ostavljaju trag u širokom spektru inovacija.
Globalni pejzaž: istraživanje, patenti i komercijalizacija širom sveta
Uzbuđenje oko MOF-ova je zaista globalno. Nakon početnih proboja u SAD (rad profesora Yaghija na UC Berkeley i UCLA) i Japanu (nezavisna otkrića MOF-ova profesora Susumu Kitagawe u Kjotu), istraživanja su se brzo proširila širom Severne Amerike, Evrope, Azije i dalje. Sjedinjene Američke Države ostaju centar inovacija u oblasti MOF-ova, sa vodećim univerzitetima (Berkeley, MIT, Northwestern itd.), nacionalnim laboratorijama i kompanijama koje pomeraju granice. Nekoliko američkih startapova, često proisteklih iz akademskih laboratorija, komercijalizuje MOF-ove: NuMat Technologies (Ilinois) se fokusira na skladištenje gasova i čak je prodavao boce za gas sa MOF-ovima (ION-X) koje skladište toksične gasove za industriju poluprovodnika na sigurniji, subatmosferski način businesswire.com. NuMat takođe izveštava o proizvodnom kapacitetu od oko 300 tona MOF-ova godišnje u svojim postrojenjima businesswire.com. Mosaic Materials u Kaliforniji (pomenut ranije za hvatanje CO₂) i Transaera (Masačusets, za hlađenje) su drugi značajni američki projekti. Industrijski gigant BASF u Nemačkoj bio je jedan od prvih koji je značajno investirao u MOF-ove; povećao je proizvodnju MOF-ova tokom 2010-ih (proizvodeći MOF na bazi bakra u količinama od više tona) i sada ima godišnji kapacitet od više stotina tona u Ludvigshafenu businesswire.com. BASF-ov MOF (prodaje se pod imenom Basolite) koristi se čak i u nekim komercijalnim proizvodima, poput vrhunskog energetski efikasnog izolacionog stakla i hemijskih filtera. Evropa ima snažnu akademsku mrežu za MOF-ove (npr. EU organizuje konferencije poput EuroMOF), a Evropska unija je finansirala projekte kao što su MOST-H2 (skladištenje vodonika) i AMADEUS (skladištenje amonijaka pomoću MOF-ova) kako bi ubrzala primenjena istraživanja.
Kina se pojavila kao plodan doprinosilac nauci o MOF-ovima u poslednjoj deceniji. Zapravo, prema metrikama publikacija, kineski istraživači čine veliki deo novih radova i patenata o MOF-ovima – u oblastima od hvatanja ugljenika do isporuke lekova. Jedna bibliometrijska studija je primetila da „Kina je dala značajan doprinos i drži vodeću poziciju u MOF-ovima u istraživanju raka“ pmc.ncbi.nlm.nih.gov, kao jedan primer. Glavne kineske institucije poput Univerziteta Džilin, Univerziteta Nankai i Kineske akademije nauka imaju posvećene centre za MOF-ove koji istražuju sve od baterija zasnovanih na MOF-ovima do katalizatora za pretvaranje CO₂ u gorivo. Vladina inicijativa Kine za postizanje karbonske neutralnosti do 2060. godine podstakla je interesovanje za MOF-ove u tehnologijama dekarbonizacije. Iako Kina možda još nema toliko MOF startapa poznatih na globalnom nivou, ima snažnu saradnju između industrije i akademije. Posebno, Kina prednjači u skladištenju metana zasnovanom na MOF-ovima za vozila (oblast u kojoj rezervoari ispunjeni adsorbensima mogu omogućiti vozilima na prirodni gas da drže više goriva pod nižim pritiskom) i istražuje MOF-ove za hvatanje industrijskih emisija u okviru svojih nacionalnih CCUS programa.
I druge regije su takođe aktivne: Japan nastavlja da doprinosi (sa istraživanjima pionira kao što je Kitagawa i novijim radom na provodnim MOF-ovima), Južna Koreja ima kompanije poput framergy (koja sarađuje sa međunarodnim grupama na komercijalizaciji MOF-ova), a Australija je dom za ARC Centar izvrsnosti za eksitonsku nauku koji proučava MOF-ove za detekciju i fotokatalizu. Na Bliskom istoku, KAUST iz Saudijske Arabije je centar istraživanja MOF-ova (podneli su patente za hvatanje ugljenika pomoću MOF-ova, kao što je navedeno) cas.org, a zemlje poput Ujedinjenih Arapskih Emirata i Katara su zainteresovane za MOF-ove za desalinizaciju vode i separaciju gasova, što je u skladu sa njihovim potrebama.
Važno je napomenuti da razvoj MOF-a više nije ograničen na laboratoriju. Patenti i komercijalni proizvodi su u porastu. Analiza koju je sproveo Chemical Abstracts Service krajem 2024. godine istakla je da, iako su MOF publikacije doživele procvat, „rast broja patentnih publikacija sugeriše da je šira komercijalizacija ove tehnologije neizbežna.” cas.org Posebno je CAS zabeležio značajnu patentnu aktivnost u oblasti primena vezanih za dekarbonizaciju (hvatanje ugljenika, energija, skladištenje gasa), kao i u oblastima kao što su čista voda i senzori cas.org. Ovo ukazuje na to da kompanije i instituti štite inovacije zasnovane na MOF-u dok se pripremaju za primenu u stvarnom svetu. Do 2024. godine, samo je nekoliko proizvoda zasnovanih na MOF-u bilo potpuno komercijalizovano businesswire.com – primeri uključuju Svante-ove CO₂ filtere, NuMat-ove kontejnere za gas, neke specijalizovane uređaje za prečišćavanje vazduha i liniju MOF paketa za kontrolu vlažnosti. Ali izgleda da smo na prelomnoj tački. „Globalno MOF tržište trenutno prolazi kroz ključnu tranziciju iz akademskih istraživanja u industrijsku primenu,” navodi se u izveštaju ResearchAndMarkets, koji predviđa da će industrija rasti oko 30% godišnje ubuduće businesswire.com. Do 2035. godine, MOF primene bi mogle predstavljati tržište vredno više milijardi dolara, posebno zahvaljujući hvatanju ugljenika, skladištenju vodonika, prikupljanju vode i hemijskim separacijama businesswire.com.
Proizvodna strana takođe raste: oko 50 kompanija širom sveta sada proizvodi MOF-ove, iako je veliki deo kapaciteta koncentrisan kod nekoliko aktera (kao što su BASF i NuMat) businesswire.com. Izazovi sa kojima se suočavaju uključuju povećanje proizvodnje sa laboratorijskih grama na industrijske tone uz održavanje kvaliteta, i to na isplativ način businesswire.com. Ohrabrujuće je što se napredak ostvaruje – troškovi opadaju kako se tehnike poboljšavaju, a kompanije su razvile metode kontinuirane proizvodnje (za razliku od sporih šaržnih sinteza) kako bi proizvodile MOF-ove u većim količinama businesswire.com. Na primer, Promethean Particles u Velikoj Britaniji koristi protočni reaktor za proizvodnju MOF-ova i drugih nanomaterijala, a novoMOF u Švajcarskoj nudi ugovornu proizvodnju MOF-ova u velikim razmerama. Ovi razvojni pravci ukazuju na to da će, ako se pojavi velika potražnja (recimo, hiljade tona za jedinice za hvatanje ugljenika), ponuda biti spremna da je zadovolji.Međunarodna saradnja je takođe očigledna: naučnici iz različitih zemalja često su koautori radova o MOF-ovima, a postoje i globalne konferencije (npr. MOF2023 u Melburnu, MOF2024 u Vankuveru) koje okupljaju zajednicu. Ovo pomaže u širenju najboljih praksi i izbegavanju dupliranja napora s obzirom na ogroman hemijski prostor MOF-ova.
Perspektiva: Zašto su MOF-ovi važni za održivu budućnost
Kao što smo videli, MOF-ovi se nalaze na raskršću napredne nauke o materijalima i rešavanja stvarnih problema. Često se predstavljaju kao „prekretnica“ za održivost jer omogućavaju procese koji su ranije bili neizvodljivi ili neefikasni. Hvatanje ugljenika je odličan primer – tako što čine uklanjanje CO₂ manje energetski zahtevnim, MOF-ovi bi mogli omogućiti širu primenu hvatanja ugljenika u elektranama i fabrikama, značajno smanjujući emisiju gasova staklene bašte. Skladištenje čiste energije je još jedan primer: MOF-ovi bi konačno mogli učiniti vodonik (a možda i druge gasove poput metana) praktičnim kao čistim gorivima rešavanjem problema skladištenja. U oblasti čiste vode, MOF-ovi bukvalno stvaraju vodu iz vazduha ili jeftino prečišćavaju vodu, rešavajući problem nestašice i zagađenja bez velike infrastrukture. U oblasti zdravstva, MOF-ovi donose nadu za ciljano dostavljanje lekova i osetljivu dijagnostiku, potencijalno spašavajući živote pametnijim terapijama. I u celoj industrijskoj hemiji, MOF-ovi nude energetski efikasnije procese separacije i katalize, što bi moglo smanjiti ugljenični otisak proizvodnje svakodnevnih hemikalija.
Retko se dešava da jedna klasa materijala utiče na toliko sektora – i zato se MOF-ovi često porede sa „novim silicijumom“ ili „novom plastikom“ po transformativnom potencijalu. Oni predstavljaju novi način da se materijali grade od osnove sa preciznošću (zbog čega ih porede sa LEGO kockama ili Tinkertoys na molekularnom nivou). Ovakav pristup retikularnog dizajna je pre nekoliko decenija bio uglavnom teorijski; sada je to praktičan alat koji prihvataju hemičari i inženjeri širom sveta.
Stručnjaci veruju da smo na pragu da MOF-ovi pređu iz laboratorijskih zanimljivosti u sveprisutne radne materijale ugrađene u razne tehnologije. „Sa svim svojim potencijalnim primenama, MOF-ovi pokreću važne proboje u nekim od naših najizazovnijih naučnih oblasti,“ napisao je jedan analitičar ACS-a, dodajući da poboljšanja u veštačkoj inteligenciji i mašinskom učenju ubrzavaju selekciju MOF-ova, „što znači da su novi napreci i komercijalne upotrebe možda blizu.“ cas.org Vremenski okvir za prodor MOF-ova na tržište se već skraćuje: dok je prvi MOF napravljen 1995. godine, trebalo je do 2020-ih da se pojave prve komercijalne upotrebe, ali bismo mogli videti desetine proizvoda zasnovanih na MOF-ovima u narednih nekoliko godina. Industrijski giganti to primećuju – naftne i gasne kompanije razmatraju MOF-ove za čistiju preradu, tehnološke firme gledaju MOF-ove za filtere vazduha u data centrima, a automobilske kompanije su zainteresovane za MOF rezervoare za vodonik i CO₂ filtere za vazduh u kabini.
Globalno, podrška za istraživanje i primenu MOF-a usklađena je sa hitnim prioritetima kao što su klimatska akcija, održivi razvoj i napredna proizvodnja. Vlade i investitori finansiraju startapove i pilot projekte vezane za MOF, prepoznajući da ovi materijali mogu njihovoj zemlji doneti konkurentsku prednost u čistim tehnologijama. U SAD i Evropi, MOF-ovi su deo planova za hvatanje ugljenika i skladištenje vodonika. Najnoviji kineski petogodišnji planovi naglašavaju nove materijale i održivost – oblasti koje su u samoj srži MOF-ova. Uključene su i međunarodne organizacije: na primer, hvatanje ugljenika pomoću MOF-a istaknuto je na nedavnim CCUS konferencijama decarbonfuse.com, a prikupljanje vode pomoću MOF-a pokrili su mediji poput BBC i Scientific American, čime je javnost upoznata sa ovim inovacijama.
Naravno, izazovi i dalje postoje. Troškovi proizvodnje i skalabilnost zahtevaju dalja poboljšanja (mada, kao što je pomenuto, značajan napredak se već dešava na tom polju businesswire.com). Dugoročna stabilnost MOF-ova u realnim uslovima (izloženost nečistoćama, višestruko cikliranje) mora biti dokazana za svaki slučaj pojedinačno. Svaka primena mora se suočiti i sa konkurencijom drugih tehnologija (na primer, može li hvatanje ugljenika pomoću MOF-a nadmašiti nove sisteme sa rastvaračima ili membranama? Mogu li sakupljači vode na bazi MOF-a biti bolji od tradicionalne desalinizacije u velikim razmerama?). Na ova pitanja odgovoriće se u narednim godinama kroz demonstracione projekte i ekonomske analize. Prvi znaci su ohrabrujući: tamo gde su MOF-ovi najbolji, oni zaista briljiraju – nudeći mogućnosti koje alternative ne mogu da dostignu (npr. nijedan drugi materijal ne može tako efikasno da prikuplja vodu pri 10% vlažnosti, ili da skladišti toliko vodonika u tako laganom obliku).
Zaključno, MOF-ovi ilustruju moć hemijske inovacije za rešavanje globalnih izazova. Počeli su kao radoznalost u hemijskim laboratorijama i razvili se u platformu sa potencijalom da učini industriju čistijom, energiju održivijom i resurse poput vode dostupnijim. Svetski napor da se razviju MOF-ovi – od američkih startapova do kineskih univerziteta, evropskih istraživačkih konzorcijuma do bliskoistočnih laboratorija – naglašava zajednički optimizam u vezi sa ovim materijalima. Kao što je jedan izveštaj sažeto rekao, MOF-ovi „prelaze iz naučne radoznalosti u komercijalnu realnost,” rešavajući probleme u hvatanju ugljenika, vodi, energiji i još mnogo toga businesswire.com. Ako se trenutni trendovi nastave, MOF-ovi bi uskoro mogli tiho da rade u pozadini u mnogim aspektima svakodnevnog života, pomažući da se ostvari zeleniji i napredniji svet. Sledeći put kada popijete gutljaj vode u pustinji, vozite automobil na vodonik ili udišete čistiji vazduh u gradu, metal-organski okvir možda bude deo razloga zašto.
Izvori: Najnovija istraživanja i komentari stručnjaka o MOF-ovima preuzeti su iz vodećih naučnih časopisa, saopštenja univerziteta i industrijskih izveštaja, uključujući Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, Businesswire izdanja businesswire.com, CORDIS (EU) cordis.europa.eu, i analize tržišta businesswire.com, između ostalih. Ovi izvori ističu konsenzus da su MOF-ovi revolucionarna platforma u nauci o materijalima, sa brzo rastućim uticajem u stvarnom svetu.
