- MOF мають світовий рекорд внутрішньої площі поверхні до приблизно 7 000 м^2 на грам, а теоретичні розробки — до 14 600 м^2/г.
- За приблизно 20 років дослідники створили майже 90 000 унікальних структур MOF, а теорія передбачає ще сотні тисяч.
- MOF — це пористі кристалічні мережі, побудовані з металевих вузлів і органічних з’єднувачів, що формують регульовану 3D-ґратку, яка діє як молекулярна губка.
- CALF-20, MOF на основі цинку, може утримувати близько однієї тонни CO2 на добу на кубічний метр в промислових умовах.
- ZnH-MFU-4l — це проривний MOF для уловлювання CO2 при високих температурах, який вибірково зв’язує CO2 з гарячих димових газів при близько 300°C, захоплюючи понад 90 відсотків CO2.
- DCF-1, запущений Decarbontek у середині 2025 року, — це недорогий MOF з оксиду цинку та лимонної кислоти, вартість якого на повному масштабі складе близько $10 за кілограм.
- Svante тестує систему сорбенту MOF CALF-20 на цементному заводі, здатну захоплювати близько 1 тонни CO2 на добу.
- MOF-303, алюмінієвий MOF для збору води, дозволив створити портативний збирач у Долині Смерті у 2023 році, який відновлював близько 85–90% адсорбованої води, забезпечуючи до 285 грамів на кілограм на добу.
- Проєкт EU MOST-H2, запущений у 2022 році, використовує ШІ для скринінгу MOF для зберігання водню; до 2025 року повідомлено про прогрес: понад 10 000 структур перевірено, а прототипи відповідають вимогам DOE при кріогенних умовах.
- MIL-101(Cr) можна розширити пори з приблизно 2,5 нм до 5 нм за допомогою обробки оцтовою кислотою, що дозволяє завантажувати більше ібупрофену та 5-фторурацилу і забезпечує швидше вивільнення.
Гра, що змінює правила, у сфері передових матеріалів і сталого розвитку
Уявіть собі матеріал з такою великою внутрішньою площею поверхні, що щіпка його містить еквівалент шести футбольних полів площі news.berkeley.edu. Такі метал-органічні каркаси (MOF) — це пористі, кристалічні сполуки, утворені металевими вузлами, з’єднаними органічними лінкерами, що створюють губкоподібні мережі на молекулярному рівні. Вчені стверджують, що MOF мають «майже безмежні можливості» для створення індивідуальних структур із заданими властивостями cas.org. За останні 20 років дослідження MOF стрімко зросли — створено майже 90 000 унікальних структур MOF (а в теорії передбачаються ще сотні тисяч) cas.org. Такий сплеск зумовлений обіцянкою, що MOF можуть вирішити критичні проблеми сталого розвитку та технологій. Від уловлювання вуглекислого газу, що спричиняє потепління клімату, і зберігання чистого водневого палива до доставки ліків і збору води з повітря пустелі — MOF готові забезпечити прориви у сферах від енергетики та екології до біомедицини cas.orgcas.org. У цьому звіті ми пояснюємо, що таке MOF, як вони працюють і створюються, а також чому їх вважають революційними. Ми розглянемо основні сфери застосування — включаючи уловлювання вуглецю, зберігання водню, доставку ліків, сенсори та збір води — висвітлюючи останні наукові прориви, реальні впровадження та експертні думки. Оглядаючи світовий ландшафт (США, ЄС, Китай та інші) й останні досягнення, ми побачимо, чому MOF вважають матеріалами, що змінюють правила гри для сталого майбутнього.Що таке MOF? Пористі кристали з рекордною площею поверхні
Метал-органічні каркаси (MOFs) — це незвичайний клас матеріалів, побудованих за принципом молекулярних конструкторів. Вони складаються з іонів металів або кластерів, які виконують роль вузлів, з’єднаних між собою органічними молекулами (лігандами), що слугують перемичками. Ці компоненти самостійно збираються у відкриту, схожу на клітку кристалічну решітку — по суті, утворюючи 3D пористу мережу, що утримується координаційними зв’язками cas.org. Результатом є кристалічна губка: MOFs мають надзвичайно високу пористість і площу поверхні, тобто їхня внутрішня частина заповнена крихітними порожнинами та каналами, куди можуть проникати інші молекули. Насправді, MOFs утримують світовий рекорд за площею поверхні серед матеріалів — деякі з них мають до ~7 000 м² на грам, а теоретичні розробки — до 14 600 м²/г cas.org. Для порівняння, лише столова ложка типового MOF може мати внутрішню площу, що дорівнює площі кількох футбольних полів, забезпечуючи достатньо місця для адсорбції газів чи інших молекул news.berkeley.edu.
Ця величезна внутрішня поверхня та регульована порова структура і роблять MOFs такими особливими. Змінюючи металеві вузли або органічні з’єднувачі, хіміки можуть створювати різні MOFs із заданими розмірами пор, формами та хімічними властивостями cas.org. Можлива майже будь-яка комбінація — один із піонерів цієї галузі, професор Омар Ягі (який вперше синтезував MOFs у 1990-х), зазначав, що було створено десятки тисяч MOFs, а “ще сотні тисяч” прогнозуються алгоритмами cas.org. Така модульна “ретикулярна” стратегія дизайну означає, що вчені можуть фактично створювати матеріали на замовлення: наприклад, MOF можна спроєктувати так, щоб він краще захоплював молекули CO₂ або світився у присутності токсину — просто обравши відповідні будівельні блоки. Зворотний бік цієї різноманітності — це виклик: через таку кількість можливих структур важко передбачити, який MOF найкраще підійде для конкретного завдання cas.org. (Дослідники дедалі частіше використовують ШІ та машинне навчання для аналізу баз даних MOF і пошуку найбільш перспективних кандидатів — до цього питання ми ще повернемося пізніше cas.org.)
Підсумовуючи, МОФ — це як ультратонка губка або каркас на нано-рівні. Він складається з неорганічних та органічних компонентів, з’єднаних у повторювану ґратку, в результаті чого утворюється твердий матеріал, який переважно складається з порожнього простору. Ці порожні пори можуть вміщувати гостьові молекули. Важливо, що МОФи зазвичай залишаються міцними навіть після видалення їхніх початкових «гостей»-розчинників — порожній каркас залишається цілим і пористим, готовим до того, щоб адсорбувати нові молекули та вивільняти їх за відповідних умов en.wikipedia.org. Це зворотне поглинання і вивільнення є ключовим для застосувань від зберігання газів до доставки ліків. Як пояснює доктор Кертіс Карш, хімік з UC Berkeley: «Завдяки своїм унікальним структурам, МОФи мають високу щільність ділянок, де можна захоплювати та вивільняти CO₂ за відповідних умов» news.berkeley.edu — або так само захоплювати та вивільняти інші молекули. По суті, МОФи пропонують безпрецедентне поєднання високої ємності (завдяки величезній площі поверхні), можливості налаштування (шляхом хімічного дизайну) та зворотності, що робить їх потужною платформою в матеріалознавстві.
Як виготовляють МОФи і як вони працюють?
Синтез МОФу часто простіший, ніж може здатися з огляду на його складну структуру. Зазвичай вчені розчиняють джерело металу (наприклад, металеву сіль) і органічну сполучну молекулу в розчиннику, а потім стимулюють утворення кристалів повільним змішуванням, нагріванням або випаровуванням. Іони металу та сполучники спонтанно координуються і кристалізуються в упорядковану структуру — вирощуючи кристал МОФу подібно до того, як кристалізується цукор з розчину, але на молекулярному рівні. Багато МОФів виготовляють за допомогою сольвотермальних методів (нагрівання інгредієнтів у закритій посудині), хоча новіші техніки включають мікрохвильовий синтез, розпилювальне сушіння та навіть механохімічне подрібнення без розчинника. Вражає те, що МОФи часто можуть самозбиратися за відносно м’яких умов. Наприклад, нещодавно створений МОФ для уловлювання вуглецю під назвою DCF-1 синтезується просто шляхом змішування оксиду цинку з лимонною кислотою у воді — це «безпечний, стійкий і патентований метод», який дозволяє отримати високоефективний МОФ дешево businesswire.com. Це ілюструє, як дослідники вдосконалюють методи виробництва, щоб знизити витрати та уникати агресивних хімікатів. Кристали МОФу можуть мати розміри від нанометрів до міліметрів, і зазвичай їх перетворюють на порошки або формують у гранули та мембрани для практичного використання.
Як працюють MOF зводиться до адсорбції та селективності. Їхні пори діють як крихітні комірки для зберігання або пастки для молекул. Коли MOF піддається впливу газу або рідини, цільові молекули можуть проникати в пори й прилипати до внутрішніх поверхонь (через сили Ван дер Ваальса, хімічні взаємодії у певних місцях тощо). Оскільки MOF мають величезну внутрішню площу і часто містять хімічні групи, що зв’язують певні молекули, вони можуть поглинати вражаючі кількості речовин. Наприклад, один MOF (CALF-20, каркас на основі цинку) може утримувати близько однієї тонни CO₂ на добу на кубічний метр матеріалу в промислових умовах businesswire.com – фактично діючи як гігантська губка для вуглекислого газу. Проте, адсорбція зазвичай є зворотною: змінивши умови (нагрівши MOF, знизивши тиск або промивши іншим газом), захоплені молекули вивільняються (десорбуються), і MOF регенерується для нового циклу news.berkeley.edu. Такий циклічний процес захоплення й вивільнення є ключовим для застосувань, як-от уловлювання вуглецю чи зберігання газів, де MOF потрібно багаторазово використовувати. У прикладі з уловлюванням CO₂, коли MOF насичується CO₂, “CO₂ можна видалити, знизивши його парціальний тиск – або промивши іншим газом, або створивши вакуум. Після цього MOF готовий до повторного циклу адсорбції” news.berkeley.edu.
Внутрішню хімію кожного MOF можна налаштувати так, щоб він віддавав перевагу певним молекулам над іншими, що робить їх надзвичайно селективними. Деякі MOF мають відкриті металеві центри або функціональні групи в порах, які діють як гачки для певних газів. Інші декоровані молекулами (наприклад, амінами чи мідними центрами), які реагують із ціллю (наприклад, CO₂). Така можливість налаштування є великою перевагою – на відміну від традиційних пористих матеріалів (наприклад, активованого вугілля чи цеолітів), які мають фіксовані властивості, MOF можна створювати на замовлення. “Їхні налаштовувані властивості – ключовий фактор,” зазначає звіт CAS Insights, “висока площа поверхні й пористість у поєднанні з регульованою хімією дають MOF здатність адсорбувати гази й леткі сполуки, що викликає величезний інтерес до розділення й зберігання газів, особливо CO₂” cas.org. Коротко кажучи, MOF працюють, селективно захоплюючи молекули у своїх наноскопічних порах – подібно до сита чи фільтра, зробленого з молекул – і можуть згодом вивільняти вантаж за певних умов. Ця проста концепція лежить в основі різноманітних застосувань, які ми розглянемо: від очищення вихлопних газів від CO₂, до щільнішого зберігання водню, до транспортування лікарських молекул у кровотоці.
Основні сфери застосування MOF
Унікальні властивості MOF, схожі на губку, роблять їх корисними в надзвичайно широкому спектрі застосувань. Нижче ми розглянемо деякі з найбільш впливових напрямків використання, які розробляються сьогодні, – разом із нещодавніми проривами та прикладами в кожній сфері.
Вловлювання вуглецю та пом’якшення наслідків зміни клімату
Одне з найнагальніших застосувань MOF — це вловлювання вуглекислого газу з димових газів електростанцій або навіть безпосередньо з повітря. Скорочення викидів CO₂ є критично важливим для боротьби зі зміною клімату, і MOF стають «одними з найперспективніших матеріалів для вловлювання вуглецю», оскільки вони можуть поглинати CO₂ з більшою ефективністю та меншими енерговитратами, ніж традиційні методи ccarbon.info. Традиційні технології вловлювання вуглецю використовують рідкі амінові розчини для зв’язування CO₂, але аміни є корозійними, енергоємними для регенерації і зазвичай працюють лише при відносно низьких температурах (близько 40–60 °C). Однак багато промислових димових газів набагато гарячіші (викиди цементних і сталеливарних заводів можуть перевищувати 200–300 °C), що ускладнює та здорожчує вловлювання вуглецю, оскільки гази спочатку потрібно охолоджувати news.berkeley.edu. MOF пропонують потенційний прорив: їх можна спроєктувати так, щоб вони захоплювали CO₂ навіть у суворих умовах, а потім вивільняли його при помірному нагріванні або зміні тиску, використовуючи загалом значно менше енергії, ніж амінові скрубери ccarbon.info.
У кінці 2024 року хіміки з UC Berkeley повідомили про прорив у створенні MOF, який може захоплювати CO₂ з гарячих димових газів без попереднього охолодження. Матеріал, відомий як ZnH-MFU-4l, містить цинк-гідридні ділянки всередині своїх пор, які міцно зв’язують CO₂ при високих температурах. «Ми з’ясували, що MOF може захоплювати діоксид вуглецю при безпрецедентно високих температурах – температурах, які мають значення для багатьох процесів, що викидають CO₂», — сказав доктор Кертіс Карш, співавтор дослідження. «Раніше вважалося, що це неможливо для пористого матеріалу». news.berkeley.edu За умов імітації вихлопних газів цей MOF зміг селективно захоплювати CO₂ при ~300 °C (типово для димових газів цементної/сталеливарної промисловості) і захоплювати понад 90% CO₂ у потоці («глибоке захоплення вуглецю»), що конкурує з ефективністю рідких амінів news.berkeley.edu. Така робота при високих температурах дозволяє уникнути витрат енергії та води на охолодження викидів news.berkeley.edu, потенційно роблячи захоплення вуглецю можливим для «важкодекарбонізованих» галузей, таких як сталь і цемент. «Оскільки ентропія сприяє перебуванню молекул, таких як CO₂, у газовій фазі все більше з підвищенням температури, загалом вважалося, що захопити такі молекули пористим твердим тілом при температурах вище 200 °C неможливо», зазначив професор Джеффрі Лонг, який очолював дослідження. «Ця робота показує, що з правильною функціональністю… захоплення CO₂ з великою ємністю дійсно можна здійснити при 300 °C». news.berkeley.edu Це відкриття відкриває новий напрямок дизайну (використання метал-гідридних ділянок у MOF) для матеріалів наступного покоління для захоплення вуглецю news.berkeley.edu.MOF також блискуче проявляють себе у більш традиційних ролях уловлювання CO₂. Інтерес з боку стартапів і корпорацій різко зріс: ExxonMobil подала патенти на технології MOF для уловлювання вуглецю cas.org, а дослідники з KAUST у Саудівській Аравії запатентували MOF для уловлювання CO₂ та розділення газів cas.org. Численні стартапи змагаються за комерціалізацію фільтрів для CO₂ на основі MOF. Наприклад, Nuada (стартап з ЄС) досліджує системи MOF, щоб допомогти виробникам цементу вловлювати CO₂ з димових газів cas.org. Інша компанія, Mosaic Materials, розробила MOF з амінною функціоналізацією для уловлювання CO₂, який виявився настільки перспективним, що його придбала енергетична технологічна компанія Baker Hughes у 2022 році для масштабування news.berkeley.edu. MOF від Mosaic тестується у пілотних проєктах як альтернатива рідким амінам, а також навіть для прямого уловлювання CO₂ з повітря news.berkeley.edu.Щойно в середині 2025 року, Decarbontek, Inc. оголосила, що комерційно виробляє MOF-адсорбент для уловлювання вуглецю. Компанія запустила DCF-1 (De-Carbon Framework-1), назвавши його «революційним, недорогим, високоефективним MOF, розробленим для масштабованого уловлювання вуглецю», який тепер доступний у кілограмових обсягах ccarbon.info. «З запуском DCF-1 ми встановлюємо новий стандарт для матеріалів уловлювання вуглецю», — сказав доктор Йонг Дінг, генеральний директор Decarbontek. «Він економічно вигідний, простий у виробництві та дуже ефективний — роблячи уловлювання вуглецю доступним для різних галузей». businesswire.com DCF-1 можна виготовляти дешево (з використанням звичайного оксиду цинку та лимонної кислоти) і він має коштувати лише близько $10 за кг при повному масштабі, «порівнянно зі звичайними молекулярними ситами», за словами Дінга businesswire.com. Це важливо, оскільки MOF давно вважалися занадто дорогими для масового використання; недорогий, простий у виробництві MOF може усунути основну перешкоду для впровадження ccarbon.info. Повідомляється, що матеріал поєднує в собі високе поглинання CO₂ з нетоксичним, водним виробничим процесом, ідеальним для модернізації заводів або навіть для вилучення CO₂ з повітря businesswire.com. Продукт Decarbontek та інші подібні підкреслюють, як технологія MOF переходить з лабораторії на ринок у сфері уловлювання вуглецю.
Можливо, найвідчутнішим знаком прогресу є пілотні проєкти: Svante, канадська компанія, використовує сорбент MOF (CALF-20, вироблений BASF) у демонстраційній системі, яка захоплює близько 1 тонни CO₂ на добу з димових газів цементного заводу businesswire.com. Це випробування в реальних умовах показує, що MOF здатні працювати з промисловими газовими потоками та дійсно функціонують у польових умовах. Такі розробки свідчать, що MOF незабаром можуть відігравати ключову роль у глобальних зусиллях із вловлювання, використання та зберігання вуглецю (CCUS), допомагаючи промисловості скорочувати викиди CO₂. Оскільки вловлювання вуглецю є життєво важливим для пом’якшення змін клімату (особливо для секторів, які складно електрифікувати), MOF широко розглядаються як “чудо-матеріал” для декарбонізації news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Завдяки вищій ефективності та нижчим енергетичним витратам, вловлювання вуглецю на основі MOF може забезпечити ширше впровадження CCUS – важливий міст до майбутнього з нульовим рівнем викидів, поки масштабується відновлювана енергетика. Підсумовуючи, MOF надають потужний новий інструментарій для уловлювання CO₂ – від заводських димарів до відкритого повітря, і саме тому ця сфера застосування залишається найгарячішим напрямком досліджень і комерціалізації MOF.Зберігання водню та чиста енергія
Якщо MOF можуть допомогти видалити вуглець із наших поточних енергетичних систем, вони також готові забезпечити чисті енергоносії, такі як водень, у майбутньому. Водень (H₂) – перспективне безвуглецеве паливо (при згорянні утворюється лише вода), але ефективне зберігання водню є великою проблемою – H₂ має дуже низьку густину, а його стиснення чи зрідження потребує багато енергії та важких балонів. MOF пропонують спосіб зберігати водень у компактній, безпечній формі шляхом адсорбції. По суті, водень можна завантажити у пори MOF з високою густиною (особливо при низьких температурах), як яйця в лотку, а потім вивільнити за потреби. Міністерство енергетики США та інші організації встановили цільові показники для матеріалів для зберігання водню (за масовою часткою та об’ємом збереженого H₂), і деякі MOF наблизилися до цих цілей або навіть перевищили їх при кріогенних температурах.
У Європі ведеться скоординована робота з використання MOF для зберігання водню. Проєкт MOST-H2, що фінансується ЄС (запущений у 2022 році), розробляє системи кріоадсорбційного зберігання водню з використанням передових MOF cordis.europa.eu. При кріоадсорбції водень охолоджується (зазвичай до температури рідкого азоту, ~77 K) і адсорбується на пористий матеріал, досягаючи високої щільності без екстремального тиску. «Секретна зброя проєкту — це особливий клас пористих кристалічних матеріалів, які називаються MOF», які вони формують у монолітні MOF-адсорбенти з оптимальним поєднанням об’ємної та гравіметричної ємності cordis.europa.eu. До 2025 року дослідники MOST-H2 повідомили про «значний прогрес» — вони поєднали AI-скринінг з експериментами для виявлення нових сполук MOF, які перевищують загальноприйняті цілі як за гравіметричною, так і за об’ємною ємністю зберігання водню cordis.europa.eu. Ці прориви були захищені патентними заявками cordis.europa.eu, що підкреслює їхню новизну. На практиці прототипи MOF команди можуть щільно зберігати водень у кріогенних умовах у матеріалах, які легко та безпечно використовувати (без надвисокого тиску) і мають «дуже малий вплив на довкілля» cordis.europa.eu. Кінцева мета — інтегрувати ці MOF у повноцінне рішення «від лабораторії до бака» для зберігання водню для таких застосувань, як транспорт на водневих паливних елементах (проєкт досліджує кейси для водневих поїздів в Австрії та Італії) cordis.europa.eu.Один із помітних аспектів цієї роботи — використання машинного навчання для прискорення відкриттів. Проєкт MOST-H2 розробив інструмент штучного інтелекту для прогнозування, які структури MOF будуть оптимальними для поглинання водню, створивши «надійну базу даних високоефективних матеріалів» і продемонструвавши, як обчислювальні методи можуть змінити розробку MOF cordis.europa.eu. Віртуально проаналізувавши понад 10 000 структур MOF, а потім протестувавши найкращих кандидатів у лабораторії, команда змогла визначити кілька лідерів, які вони оперативно запатентували cordis.europa.eu. Такий підхід значно скорочує кількість спроб і помилок, які зазвичай потрібні в дослідженнях і розробках матеріалів. У результаті MOF цього проєкту мають всі шанси досягти або перевищити суворі цілі зі зберігання, необхідні для практичних паливних баків, залишаючись при цьому економічно вигідними та стабільними протягом багатьох циклів cordis.europa.eu. Конструкція бака на основі MOF також оптимізується за допомогою сучасного моделювання тепломасообміну та аналізу життєвого циклу, щоб забезпечити можливість масштабування та інтеграції у справжні транспортні засоби cordis.europa.eu.Окрім цього проєкту, інші дослідники продемонстрували MOF, здатні до вражаючого поглинання водню. Наприклад, MOF-74 (добре відома структура) може поглинати більше водню, ніж будь-який не під тиском бак при 77 K, що вказує на потенціал MOF усунути вузьке місце у зберіганні водню innovations-report.com. Загальна стратегія полягає в роботі поблизу кріогенних температур — що може здатися енергоємним, але такі методи, як розумна ізоляція або використання «безкоштовного» охолодження від випаровування рідкого водню, можуть зробити це життєздатним. Вигода — це легкі, високоефективні водневі баки для паливних елементів автомобілів, автобусів чи літаків, які не потребують стиснення до 700 бар або надзвичайно важких резервуарів. Такі баки можуть бути «твердотільними» водневими батареями, де гранули MOF безпечно утримують водень при помірному тиску. Дослідники також вивчають MOF для зберігання водню при кімнатній температурі, хоча жоден матеріал поки що не відповідає всім вимогам DOE за звичайних умов.
Підсумовуючи, MOF знаходяться на передовій у вирішенні проблеми зберігання водню. Вони діють як нано-губки, які щільно пакують молекули водню шляхом адсорбції, дозволяючи вмістити більше водню в заданому об’ємі при певному тиску. Сучасні MOF у поєднанні з кріогенним охолодженням продемонстрували рекордні ємності – у деяких випадках перевищуючи те, що може забезпечити рідкий водень на одиницю об’єму – що може дозволити транспортним засобам на водні проїжджати більші відстані на одному баку та швидше заправлятися. З огляду на глобальний інтерес до водню як чистого енергоносія (для транспорту, зберігання в мережі та промисловості), такі досягнення, як баки на основі MOF, є критично важливими. Той факт, що подаються патенти та фінансуються багаторічні проєкти в ЄС та інших країнах, свідчить про впевненість у тому, що MOF відіграватимуть ключову роль у водневій економіці. Як зазначено в одному з європейських звітів, ці інноваційні матеріали обіцяють «дешеві, ефективні та екологічно чисті рішення для зберігання водню» для досягнення кліматичних цілей Європи cordis.europa.eu – твердження, яке знаходить відгук у всьому світі, оскільки країни інвестують у водневу інфраструктуру.
Доставка ліків та біомедичні застосування
MOF використовуються не лише для енергетики та екології – вони також набирають популярності в біомедицині як новітні системи доставки ліків та агенти для візуалізації. У фармацевтичному контексті MOF можуть виступати як нанорозмірні носії для терапевтичних молекул. Ідея полягає в тому, що лікарський засіб (який може бути малою молекулою, білком або навіть нуклеїновою кислотою) може бути завантажений у пори MOF, а потім транспортуватися організмом, захищений каркасом MOF. Пориста структура іноді може захищати ліки від передчасного руйнування, забезпечувати їх доставку у певне місце або дозволяти повільне, контрольоване вивільнення з часом. MOF навіть можна спроєктувати так, щоб вони реагували на стимули (наприклад, pH або світло) для запуску вивільнення ліків за командою jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Це стрімко зростаюча сфера досліджень у наномедицині.
Одна з переваг MOF — це їхня висока здатність до завантаження: завдяки величезній площі поверхні вони можуть переносити багато препарату відносно своєї ваги. Крім того, багато MOF можна виготовити з біосумісних компонентів (наприклад, вузлів цинку або заліза з їстівними органічними кислотами), що означає, що вони можуть розкладатися на нетоксичні побічні продукти в організмі cas.org. Насправді деякі MOF є біосумісними та біорозкладними, що робить їх привабливими для використання в живих організмах cas.org. Дослідники ввели термін «нано-MOF» для дуже малих частинок MOF (зазвичай 50–200 нанометрів), призначених для введення в кровотік або доставки в клітини axial.acs.org. Декілька з цих нано-MOF вже перейшли до клінічних випробувань для терапії раку axial.acs.org — наприклад, як носії для хіміотерапевтичних препаратів або для підсилення променевої терапії. Це демонструє реальний потенціал MOF як платформи в медицині.Нещодавнє дослідження у 2024 році продемонструвало, як просте хімічне модифікування може покращити ефективність доставки ліків за допомогою МОФ. Вчені з Університету Маямі взяли добре відомий МОФ під назвою MIL-101(Cr) (каркас на основі хрому з великими порами) і фактично «роздули» його за допомогою додаткового етапу синтезу acs.org. Вони обробили кристали МОФ невеликою кількістю оцтової кислоти (схожої на оцет), щоб збільшити розмір пор із приблизно 2,5 нм до 5 нм, збільшуючи внутрішню площу поверхні acs.org. Ці частинки МОФ із розширеними порами потім завантажили двома модельними препаратами – ібупрофеном (протизапальний засіб) та 5-фторурацилом (препарат для хіміотерапії) – щоб перевірити їхню ємність і кінетику вивільнення. Результати були вражаючими: «Роздуті МОФ утримували більше ібупрофену або хіміотерапевтичного препарату порівняно з оригінальною версією та мали покращену ефективність як потенційний засіб доставки ліків.» acs.org Оскільки пори стали більшими, всередину могло поміститися більше молекул препарату, і дійсно, модифікований МОФ поглинав більшу кількість обох препаратів, ніж немодифікований MIL-101 acs.org. Більше того, у дослідах з вивільненням, МОФ із розширеними порами вивільняв препарати значно швидше, ніж оригінальний, завдяки тому, що більші отвори діяли як широкі «двері» для виходу молекул acs.org. Швидше вивільнення може бути корисним для досягнення терапевтичних рівнів швидко, тоді як контрольоване повільне вивільнення можна досягти іншими модифікаціями. Дослідники розглядають цей простий метод промивання кислотою як спосіб налаштовувати профілі доставки МОФ для різних потреб acs.org. Як вони зазначають, «такі прості зміни можуть максимізувати ефективність МОФ у майбутніх застосуваннях для доставки ліків», і триває робота з вивчення того, як досягти повільного, тривалого вивільнення протягом певних часових проміжків шляхом налаштування структури пор acs.org.Це лише один із багатьох прикладів. Інші дослідження показали, що МОФи можуть переносити комбінації ліків, захищати делікатні біомолекули, такі як білки або РНК, і навіть сприяти цільовій доставці до пухлин (шляхом приєднання лігандів націлювання до МОФу). Оскільки можна комбінувати різні металеві центри, дослідники з’ясували, що вибір металу може впливати на швидкість вивільнення – наприклад, одне дослідження показало, що МОФи з магнієм вивільняли тестовий препарат швидше, ніж ті, що містять цирконій, що свідчить про те, що більш розчинні металеві вузли призводять до швидшої деградації каркасу та вивільнення препарату axial.acs.org. Такі висновки спрямовують розробку МОФів для “доставки ліків за вимогою” та тераностиків (терапія + діагностика). Примітно, що МОФи також можуть служити контрастними агентами або зондами для візуалізації; деякі містять люмінесцентні лантаніди або радіоактивні ізотопи для відстеження, а інші підсилюють сигнали МРТ. Люмінесцентні властивості деяких МОФів навіть дозволили створити біосенсори, які можуть виявляти біомаркери або токсини навколишнього середовища за зміною флуоресценції cas.org – стираючи межу між доставкою ліків і сенсингом.
Важливо, що ранні дослідження безпеки показують, що правильно сформульовані МОФи можуть бути нетоксичними та біорозкладними в організмі cas.org. Наприклад, МОФи з заліза або цинку з харчовими лігандами можуть розпадатися на поживні речовини або виводитися з організму. Така біосумісність у поєднанні з великою місткістю та універсальністю призвела до того, що експерти називають МОФи “перспективним новим класом розумних носіїв ліків” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Хоча жоден препарат на основі МОФ ще не вийшов на ринок, клінічні випробування, що тривають, свідчать, що це лише питання часу. У найближчому майбутньому наночастинки МОФ можуть доставляти хіміотерапію більш безпосередньо до ракових клітин, зменшуючи побічні ефекти, або діяти як “нано-антидоти”, що поглинають токсичні речовини в організмі. Дослідницький імпульс потужний – в одному огляді нарахували десятки систем доставки ліків на основі МОФ для раку, ВІЛ, діабету та інших захворювань, що досліджуються pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Якщо ці зусилля увінчаються успіхом, МОФи можуть відкрити нову еру прецизійної медицини, де лікування стосується не лише молекули препарату, а й розумного носія, який його транспортує.
Сенсори та детекція
Завдяки своїй регульованій хімії та часто властивій люмінесценції, MOF стали потужними компонентами в хімічних сенсорах. Навіть незначна зміна структури MOF – наприклад, зв’язування гостьової молекули або перенесення електрона – може перетворитися на виявлений оптичний чи електричний сигнал. Це робить MOF відмінними для виявлення слідових кількостей сполук у навколишньому середовищі, їжі чи навіть у людському організмі. Дослідники створили сенсори на основі MOF для широкого спектра цілей: іони важких металів, вибухові речовини (наприклад, пари ТНТ), небезпечні промислові гази та біомаркери захворювань, якщо назвати лише деякі sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Одним із популярних підходів є люмінесцентні MOF (часто їх називають LMOF). Це MOF, які або природно флуоресціюють чи фосфоресціюють, або леговані флуоресцентними молекулами/іонами металів. Коли цільовий аналіт потрапляє в пори MOF, це може змінити люмінесценцію – наприклад, загасити її, підсилити або змінити її колір. Наприклад, певні MOF, що містять лантанідні метали, випромінюють яскравий сигнал, який може бути селективно загашений певними хімічними речовинами, що дозволяє виявляти ці речовини у дуже низьких концентраціях pubs.rsc.org. Існують MOF, які діють як сенсори з увімкненням для іонів металів, таких як алюміній (світяться лише при зв’язуванні іона) pubs.acs.org, або як сенсори, що змінюють колір для pH чи кисню. Оскільки MOF мають модульну структуру, розробники сенсорів можуть вбудовувати сайти розпізнавання безпосередньо у каркас. Уявіть собі MOF з кишенями для зв’язування, ідеально підібраними під молекулу-забруднювач – коли забруднювач захоплюється, це запускає перенесення електрона або енергії, що призводить до згасання або зміни кольору люмінесценції MOF. Така специфічність дуже цінується у сенсориці.
Ключова перевага сенсорів на основі MOF полягає в тому, що їх можна зробити надзвичайно чутливими та селективними, зберігаючи стабільність. MOF часто можуть працювати в різних середовищах (деякі стійкі до води, для водного сенсорування). Дослідники навіть розробили сенсори на основі MOF, які можуть виявляти біомаркери у складних рідинах, таких як сеча або кров, шляхом фільтрації та захоплення цілі за один крок sciencedirect.com. Ще одним захоплюючим напрямком є електрохімічні сенсори на основі MOF: провідні MOF або композити можуть генерувати електричний струм у відповідь на адсорбцію газу чи пари, діючи як новий тип “електронного носа” orcasia.org.
Важливо, що багато МОФ виготовляються з відносно нешкідливих компонентів, тому їх використання в споживчих або біомедичних сенсорах є цілком можливим. Один з аналітиків CAS зазначив, що МОФ можуть бути чудовими як біосенсори, оскільки деякі з них «мають низьку токсичність і є біорозкладними», особливо ті, що використовуються для люмінесцентного виявлення cas.org. Це означає, що зонд, покритий МОФ, одного дня може бути використаний in vivo (всередині тіла) для моніторингу стану, або частинки МОФ можуть бути частиною діагностичного тесту, який безпечно розчиняється після використання. Уже зараз сенсори на основі МОФ випробовуються для таких завдань, як токсичні важкі метали у воді (МОФ флуоресціює у присутності ртуті або свинцю) pubs.acs.org, забруднювачі їжі (пестициди або антибіотики, які змінюють випромінювання МОФ) sciencedirect.com, а також як носимі сенсори для аналізу дихання.
Один із прикладів, що розробляється, — це сенсорний масив на основі МОФ для виявлення вибухових речовин і хімічної зброї. Завдяки наявності декількох МОФ, кожен з яких налаштований на реагування на різні хімічні форми, масив може створювати унікальний «відбиток» для певної речовини (подібно до того, як наш ніс розрізняє запахи). Ще один приклад: дослідники створили люмінесцентний сенсор на основі МОФ, який може швидко виявляти зіпсовану їжу, визначаючи амінні випари від розкладу м’яса, що супроводжується зміною кольору як індикатором sciencedirect.com. Ці креативні рішення демонструють, як МОФ можуть сприяти громадському здоров’ю та безпеці.
Коротко кажучи, МОФ забезпечують високу чутливість, можливість налаштування та стабільність для сенсорних технологій. В окремих випадках вони можуть виявляти молекули на рівні частин на мільярд, а їхню реакцію можна спроєктувати так, щоб її було легко зчитати (зміна кольору, видима неозброєним оком, або зміна струму/напруги для електронного зчитування). Оскільки стандарти моніторингу довкілля та безпеки харчових продуктів стають суворішими, сенсори на основі МОФ можуть отримати широке застосування завдяки поєднанню точності та практичності. Той факт, що МОФ можна виготовляти у вигляді тонких плівок або порошків для покриття пристроїв, означає, що інтеграція в сенсорне обладнання цілком реальна. Компанії та дослідницькі лабораторії по всьому світу активно патентують конструкції сенсорів на основі МОФ cas.orgcas.org, що свідчить про те, що незабаром ми можемо побачити комерційні сенсорні продукти на основі МОФ — від «розумних» кухонних сенсорів для виявлення псування до портативних детекторів якості повітря та загроз безпеці. Це динамічна сфера, де хімія та інженерія зустрічаються, і МОФ знаходяться на передовій у тому, щоб зробити наш світ більш детально вимірюваним і контрольованим.
Збір води та технології очищення води
Можливо, одним із найфутуристичніших застосувань MOF – хоча вже продемонстрованим у реальному житті – є добування питної води просто з повітря. Атмосферний збір води – це технологія, яка має на меті витягувати вологу з повітря (навіть у посушливих пустельних кліматах), щоб забезпечити прісною водою. Традиційні осушувачі повітря або сітки для туману потребують відносно вологої атмосфери або великої кількості енергії. Але MOF продемонстрували здатність захоплювати воду з надзвичайно сухого повітря (до 10–20% відносної вологості) і потім вивільняти її з мінімальними енерговитратами, що робить їх ідеальними для автономних генераторів води у регіонах, які страждають від посухи.Цю концепцію започаткував професор Омар Ягі (винахідник MOF) разом із колегами. У 2017 році вони вперше повідомили про MOF (MOF-801), який міг збирати воду з пустельного повітря, використовуючи лише сонячне світло як джерело енергії. Перемістимось у 2023 рік – і технологія зробила величезний стрибок вперед. Дослідники з UC Berkeley представили портативний пристрій для збору води на основі MOF, який був протестований у Долині Смерті – одному з найсухіших і найспекотніших місць на Землі. Пристрій, розміром приблизно з невеликий рюкзак і повністю живлений від навколишнього сонячного світла, багаторазово працював у циклі: захоплював воду вночі та вивільняв її у вигляді рідини вдень. “Ці випробування показали, що пристрій може забезпечити чистою водою будь-де,” повідомила команда, назвавши це нагальним рішенням, оскільки “зміна клімату посилює посухи.” cdss.berkeley.edu Збірник на основі MOF зміг витягувати вологу з повітря з вологістю лише 10% і виробляти до 285 грамів води на кілограм MOF на добу в польових умовах cdss.berkeley.edu. (~285 г – це приблизно чашка води; лабораторні випробування за ідеальних умов дають ще більше.) Вражає те, що це відбувалося з використанням жодного зовнішнього джерела енергії, окрім сонячного світла, тобто нуль викидів парникових газів чи потреби в електроенергії cdss.berkeley.edu. Це можливо, оскільки MOF спочатку адсорбує водяну пару з прохолодного нічного повітря; потім денне сонце нагріває MOF, змушуючи його вивільняти воду у вигляді пари, яка конденсується у рідину в колекторі. MOF може працювати багато циклів без втрати ефективності й легко регенерується простим висушуванням, що робить його надійною водяною губкою для тривалого використання cdss.berkeley.edu.
MOF, використаний у найновішому пристрої, є алюмінієвою основою (називається MOF-303), яка має сильну спорідненість до води, але також віддає її при помірних температурах (~80 °C). Цей MOF було обрано за його виняткову продуктивність: він може збирати воду навіть в надзвичайно посушливих умовах і є стабільним протягом тисяч циклів businesswire.com. Насправді, MOF-303 був успішно протестований у Долині Смерті, що підтвердило його практичне використання в екстремальних умовах businesswire.com. Під час випробувань пристрій досягав відновлення води на рівні близько 85–90% від адсорбованої води в кожному циклі cdss.berkeley.edu, тобто дуже мала частина захопленої вологи втрачалася. Доктор Ягі, який очолював дослідження, опубліковане в Nature Water (липень 2023), підкреслив важливість: “Майже третина населення світу живе в регіонах з дефіцитом води. ООН прогнозує, що до 2050 року майже 5 мільярдів людей відчуватимуть нестачу води… Це дуже актуально для залучення нового джерела води.” cdss.berkeley.edu Використовуючи величезний резервуар води в атмосфері (навіть у пустелях у повітрі є певна кількість вологи), пристрої на основі MOF пропонують привабливе нове джерело води, яке є децентралізованим і сталим. На відміну від великих опріснювальних заводів (які потребують електроенергії та морської води), збирач на основі MOF може бути персональним або розрахованим на село пристроєм, який працює всюди, де є повітря і сонячне світло.
Комерційні зусилля вже спрямовані на масштабування водозбірників на основі МОФ. Кілька стартапів, часто у співпраці з університетами, просувають цю технологію. Згідно з нещодавнім ринковим звітом, такі компанії, як Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule та Transaera використовують переваги МОФ у поглинанні води для створення систем охолодження та водопостачання нового покоління businesswire.com. Повідомляється, що ці системи можуть генерувати до 0,7 літра води на кілограм МОФ на добу навіть у посушливих умовах businesswire.com – приблизно вдвічі більше, ніж початкові прототипи, завдяки вдосконаленим матеріалам і конструкціям. Наприклад, Transaera впроваджує МОФ у надзвичайно ефективні кондиціонери, які не лише охолоджують повітря, а й додатково збирають воду (Transaera була фіналістом Global Cooling Prize). Ще один проєкт від AQUAml (асоційований з MIT) використовує МОФ для персональних пляшок для води, які наповнюються з вологості повітря. Той факт, що МОФ працюють при низькій вологості, також означає, що їх можна використовувати для пасивного осушення у системах кондиціонування повітря, підвищуючи ефективність охолодження шляхом осушення повітря без конденсаційних котушок cas.org.
Водозбірник на основі МОФ є яскравим прикладом того, як ці матеріали можуть вирішувати гуманітарні потреби та адаптацію до клімату. У районах із забрудненими джерелами води пристрої на основі МОФ можуть забезпечити безпечну питну воду з мінімальною інфраструктурою. Вони також масштабуються модульно – можна розгорнути сотні МОФ-установок для підтримки громади або одну установку для сім’ї. Дослідники навіть уявляють пляшки для води, що самі наповнюються для туристів та генератори води для військових у польових умовах, які працюють на основі МОФ і сонячної енергії. Хоча вартість і масштабування виробництва залишаються наступними викликами, досягнутий прогрес надзвичайно обнадійливий. Як жартували в одній статті, пристрої на основі МОФ, що отримують воду з повітря, створюють відчуття, ніби це «хімія на межі магії», перетворюючи щось таке невідчутне, як повітря, на один із найважливіших ресурсів життя. Оскільки зміна клімату робить посухи частішими, такі технології можуть стати переломним моментом для водної безпеки і надихаючим прикладом застосування передових матеріалів на благо суспільства.
Інші нові застосування (каталіз, батареї та інше)
Поза межами основних застосувань, описаних вище, МОФ демонструють свою універсальність у багатьох інших сферах. Їхня велика площа поверхні, можливість налаштування та здатність включати активні метали або функціональні групи роблять їх ідеальними для каталізу – прискорення хімічних реакцій. МОФ можуть виступати каталізаторами самі по собі або як прекурсори каталізаторних матеріалів. Наприклад, МОФ з відкритими металевими центрами використовувалися для каталізу перетворення CO₂ у палива, а матеріали на основі МОФ (наприклад, вуглецеві каркаси, що зберігають метал з МОФ) показали відмінні результати в електрокаталізі (наприклад, для відновлення кисню у паливних елементах) cas.org. В одному дослідженні було встановлено, що вуглецеві нанотрубки, леговані азотом і отримані з МОФ, мали «покращену електрокаталітичну активність і стабільність» для електролізу води порівняно зі стандартними каталізаторами cas.org. Можливість проектувати атомну структуру каталізатора за допомогою МОФ (іноді це називають «нано-літтям») є дуже привабливою для зеленої хімії та промислових процесів.
МОФ також досліджуються у пристроях для зберігання енергії. Дослідники тестують МОФ як матеріали електродів у літій-іонних батареях, де пориста структура може вміщувати іони літію та потенційно покращувати ємність або швидкість заряджання cas.org. Деякі МОФ (або їх похідні) досліджувалися як матеріали для суперконденсаторів для швидкого зберігання енергії cas.org. Хоча більшість МОФ є ізоляторами, з’явився новий підклас провідних МОФ, які можуть транспортувати електрони і можуть бути використані в електроніці або сенсорах. Досліджуються навіть МОФ з власними магнітними або фероелектричними властивостями для створення передових функціональних пристроїв.
Ще однією сферою інновацій з МОФ є розділення та очищення газів у хімічній промисловості. Ми вже згадували про уловлювання вуглецю, але МОФ також можуть бути корисними для інших складних розділень – наприклад, для виділення пропілену з пропану (критичний етап у виробництві пластмас) або видалення домішок із природного газу. Компанії, такі як UniSieve, розробили мембрани на основі МОФ, які діють як молекулярні сита, забезпечуючи енергоефективне розділення. В одному випадку мембрана з МОФ змогла відокремити пропілен з чистотою 99,5% від пропану businesswire.com, пропонуючи потенційно енергоощадну альтернативу дистиляції (яка зазвичай споживає величезну кількість енергії для таких розділень). Аналогічно, фільтри з МОФ досліджуються для рециркуляції холодоагентів, очищення промислових розчинників і навіть для очищення ядерних відходів (уловлювання радіоактивного йоду або ксенону).
У галузі електроніки та сенсорів дослідники створили MOF-тонкі плівки, які вибірково реагують на певні гази, що потенційно дозволяє створювати нові типи газових сенсорів або навіть мембран для паливних елементів. Очищення навколишнього середовища — ще одна ніша: MOF здатні захоплювати забруднювачі, такі як PFAS («вічні хімікати»), з води завдяки регульованій адсорбції, а деякі фотокаталітичні MOF можуть розкладати органічні забруднювачі під дією світла.
Нарешті, MOF мають і деякі кумедні, але цікаві потенційні застосування: як щодо тканин з MOF, які поглинають запахи або хімічні агенти (для захисного одягу)? Або покриття з MOF у холодильниках, щоб поглинати етилен і зберігати їжу свіжішою? Усі ці ідеї зараз тестуються. Головне те, що MOF — це платформний матеріал: так само, як полімери чи кремній знайшли безліч застосувань, MOF — це швейцарський ніж у світі матеріалів. Як зазначено в одному з ринкових аналізів, «Виняткові властивості MOF — включаючи рекордно великі площі поверхні, регульовані пори та налаштовувану хімію — дозволяють знаходити рішення для деяких із найнагальніших проблем суспільства». businesswire.com Від чистого повітря та води до чистої енергії та здоров’я — MOF залишають свій слід у широкому спектрі інновацій.
Глобальний ландшафт: дослідження, патенти та комерціалізація у світі
Захоплення навколо МОФів (метало-органічних каркасів) справді має глобальний характер. Після перших проривів у США (робота професора Ягі в UC Berkeley та UCLA) і Японії (незалежні відкриття МОФів професора Сусуму Кітаґави в Кіото), дослідження швидко поширилися по всій Північній Америці, Європі, Азії та за їх межами. Сполучені Штати залишаються рушійною силою інновацій у сфері МОФів: провідні університети (Берклі, MIT, Нортвестерн тощо), національні лабораторії та компанії розширюють межі цієї галузі. Декілька американських стартапів, часто створених на основі академічних лабораторій, комерціалізують МОФи: NuMat Technologies (Іллінойс) спеціалізується на зберіганні газів і навіть продавала балони з газом, оснащені МОФами (ION-X), які зберігають токсичні гази для напівпровідникової промисловості безпечнішим, субатмосферним способом businesswire.com. NuMat також повідомляє про виробничу потужність близько 300 тонн/рік МОФів на своїх підприємствах businesswire.com. Mosaic Materials у Каліфорнії (згадана раніше для уловлювання CO₂) та Transaera (Массачусетс, для охолодження) — інші помітні американські проєкти. Промисловий гігант BASF у Німеччині був одним із перших, хто значно інвестував у МОФи; у 2010-х роках компанія масштабувала виробництво МОФів (виробляючи мідний МОФ у тонних кількостях) і зараз має річну потужність у кілька сотень тонн у Людвігсхафені businesswire.com. МОФ від BASF (продається під назвою Basolite) навіть використовується в деяких комерційних продуктах, таких як енергоефективне ізоляційне скло преміум-класу та хімічні фільтри. У Європі існує потужна академічна мережа з досліджень МОФів (наприклад, ЄС організовує конференції на кшталт EuroMOF), а Європейський Союз фінансував проєкти, такі як MOST-H2 (зберігання водню) та AMADEUS (зберігання аміаку з використанням МОФів), щоб прискорити прикладні дослідження.
Китай став одним із найпродуктивніших учасників у науці про MOF за останнє десятиліття. Насправді, за публікаційними показниками, китайські дослідники складають значну частину нових статей і патентів про MOF – у сферах від уловлювання вуглецю до доставки ліків. У бібліометричному дослідженні зазначено, що «Китай зробив значний внесок і займає провідну позицію у дослідженнях MOF у галузі раку» pmc.ncbi.nlm.nih.gov, як приклад. Провідні китайські установи, такі як Університет Цзілінь, Університет Нанькай і Китайська академія наук, мають спеціалізовані центри MOF, які досліджують усе – від акумуляторів на основі MOF до каталізаторів для перетворення CO₂ у паливо. Державна програма Китаю щодо досягнення вуглецевої нейтральності до 2060 року стимулювала інтерес до MOF для декарбонізаційних технологій. Хоча в Китаї поки що може бути не так багато відомих у світі стартапів у сфері MOF, країна має потужну співпрацю між промисловістю та наукою. Зокрема, Китай лідирує у сфері зберігання метану на основі MOF для транспортних засобів (у цій галузі баки, наповнені адсорбентом, можуть дозволити транспортним засобам на природному газі зберігати більше пального під нижчим тиском) і досліджує MOF для уловлювання промислових викидів у межах національних програм CCUS.
Інші регіони також активні: Японія продовжує робити внесок (з дослідженнями піонерів, таких як Кітагава, і новішими роботами над провідними MOF), Південна Корея має компанії, такі як framergy (яка співпрацює з міжнародними групами для комерціалізації MOF), а Австралія є домом для ARC Centre of Excellence in Exciton Science, який вивчає MOF для сенсорики та фотокаталізу. На Близькому Сході KAUST Саудівської Аравії є центром досліджень MOF (вони подали патенти на уловлювання вуглецю за допомогою MOF, як зазначено) cas.org, а такі країни, як Об’єднані Арабські Емірати та Катар, зацікавлені у використанні MOF для опріснення води та розділення газів, що відповідає їхнім потребам.
Важливо, що розробка MOF більше не обмежується лабораторією. Кількість патентів і комерційних продуктів зростає. Аналіз Chemical Abstracts Service наприкінці 2024 року підкреслив, що хоча публікації про MOF стрімко зросли, “зростання кількості патентних публікацій свідчить про те, що ширша комерціалізація цієї технології неминуча.” cas.org Зокрема, CAS зафіксував значну патентну активність у сферах, пов’язаних із декарбонізацією (уловлювання вуглецю, енергетика, зберігання газу), а також у таких галузях, як очищення води та сенсори cas.org. Це свідчить про те, що компанії та інститути захищають інновації на основі MOF, готуючись до їхнього впровадження у реальному світі. Станом на 2024 рік лише кілька продуктів на основі MOF були повністю комерціалізовані businesswire.com – серед прикладів: фільтри CO₂ компанії Svante, газові контейнери NuMat, деякі нішеві пристрої для очищення повітря та лінійка пакетів для контролю вологості на основі MOF. Але, схоже, ми перебуваємо на переломному етапі. “Глобальний ринок MOF наразі переживає критичний перехід від академічних досліджень до промислового застосування,” зазначає звіт ResearchAndMarkets, який прогнозує зростання галузі приблизно на 30% щорічно надалі businesswire.com. До 2035 року застосування MOF може стати багатомільярдним ринком, особливо завдяки уловлюванню вуглецю, зберіганню водню, збору води та хімічним сепараціям businesswire.com.
Виробнича сторона також масштабується: близько 50 компаній по всьому світу зараз виробляють MOF, хоча значна частина потужностей зосереджена у кількох гравців (таких як BASF і NuMat) businesswire.com. Виклики, з якими вони стикаються, включають масштабування виробництва від лабораторних грамів до промислових тонн із збереженням якості, і при цьому робити це економічно ефективно businesswire.com. Обнадійливо, що спостерігається прогрес – витрати знижуються зі вдосконаленням технологій, а компанії розробили методи безперервного виробництва (на відміну від повільного пакетного синтезу) для виготовлення MOF у більших кількостях businesswire.com. Наприклад, Promethean Particles у Великій Британії використовує проточний реактор для виробництва MOF та інших наноматеріалів, а novoMOF у Швейцарії пропонує контрактне виробництво MOF у великих масштабах. Ці досягнення свідчать про те, що якщо з’явиться великий попит (скажімо, тисячі тонн для установок уловлювання вуглецю), пропозиція буде готова його задовольнити.Міжнародна співпраця також очевидна: вчені з різних країн часто є співавторами статей про MOF, а також проводяться глобальні конференції (наприклад, MOF2023 у Мельбурні, MOF2024 у Ванкувері), які об’єднують спільноту. Це допомагає поширювати найкращі практики та уникати дублювання зусиль, враховуючи величезний хімічний простір MOF.
Перспективи: Чому MOF важливі для сталого майбутнього
Як ми вже бачили, MOF знаходяться на перетині передової науки про матеріали та вирішення реальних проблем. Їх часто називають «грою, що змінює правила» для сталого розвитку, оскільки вони дають змогу здійснювати процеси, які раніше були неможливими або неефективними. Вловлювання вуглецю — яскравий приклад: завдяки зниженню енерговитрат на очищення CO₂ MOF можуть забезпечити ширше впровадження вловлювання вуглецю на електростанціях і заводах, що суттєво скоротить викиди парникових газів. Зберігання чистої енергії — ще один приклад: MOF можуть нарешті зробити водень (а можливо, й інші гази, такі як метан) практичним чистим паливом, вирішивши проблему зберігання. У сфері чистої води MOF буквально створюють воду з повітря або дешево очищують воду, вирішуючи проблеми дефіциту та забруднення без масштабної інфраструктури. У охороні здоров’я MOF дають надію на таргетовану доставку ліків і чутливу діагностику, потенційно рятуючи життя завдяки розумнішим методам лікування. А в промисловій хімії MOF пропонують більш енергоефективні процеси розділення та каталізу, що може знизити вуглецевий слід виробництва повсякденних хімікатів.
Рідко коли один клас матеріалів впливає на стільки секторів — саме тому MOF часто порівнюють із «наступним кремнієм» або «наступним пластиком» за трансформаційним потенціалом. Вони представляють новий спосіб створювати матеріали знизу вгору з точністю (за що їх порівнюють із LEGO або Tinkertoys на молекулярному рівні). Такий підхід до ретикулярного дизайну ще кілька десятиліть тому був переважно теоретичним; тепер це практичний інструментарій, який використовують хіміки та інженери по всьому світу.
Експерти вважають, що ми стоїмо на порозі переходу MOF від лабораторних курйозів до повсюдних робочих матеріалів, вбудованих у різні технології. «Завдяки всім своїм потенційним застосуванням MOF сприяють важливим проривам у деяких із найскладніших наукових галузях», — написав один із аналітиків ACS, додавши, що вдосконалення в галузі ШІ та машинного навчання прискорюють скринінг MOF, «а це означає, що нові досягнення та комерційне використання можуть бути вже близько». cas.org Часовий горизонт для виходу MOF на ринок уже скорочується: якщо перший MOF був створений у 1995 році, то перші комерційні застосування з’явилися лише у 2020-х, але вже в найближчі роки ми можемо побачити десятки продуктів на основі MOF. Гіганти індустрії звертають на це увагу — нафтові й газові компанії розглядають MOF для чистішої переробки, технологічні фірми — для фільтрів повітря в дата-центрах, а автомобільні компанії цікавляться водневими баками MOF і CO₂-скруберами для очищення повітря в салоні.
У всьому світі підтримка досліджень і впровадження MOF узгоджується з нагальними пріоритетами, такими як боротьба зі зміною клімату, сталий розвиток і передове виробництво. Уряди та інвестори фінансують стартапи та пілотні проєкти MOF, визнаючи, що ці матеріали можуть дати їхній країні конкурентну перевагу в галузі чистих технологій. У США та Європі MOF включені до дорожніх карт із вловлювання вуглецю та зберігання водню. Останні п’ятирічні плани Китаю акцентують увагу на нових матеріалах і сталому розвитку – сферах, які є сильною стороною MOF. До процесу долучаються й міжнародні організації: наприклад, вловлювання вуглецю на основі MOF було висвітлено на нещодавніх конференціях CCUS decarbonfuse.com, а збір води за допомогою MOF висвітлювали такі медіа, як BBC та Scientific American, привертаючи увагу громадськості до цих інновацій.
Звісно, залишаються й виклики. Вартість виробництва та масштабованість потребують подальшого вдосконалення (хоча, як зазначалося, у цьому напрямку вже досягнуто значного прогресу businesswire.com). Довгострокова стабільність MOF у реальних умовах (при впливі домішок, багаторазових циклах) має бути доведена для кожного випадку окремо. І кожен напрямок застосування має змагатися з іншими технологіями (наприклад, чи зможе вловлювання вуглецю за допомогою MOF перевершити нові розчинники або мембранні системи? Чи зможуть збирачі води на основі MOF перевершити традиційне опріснення у великих масштабах?). Відповіді на ці питання дадуть демонстраційні проєкти та економічні аналізи в найближчі роки. Перші ознаки обнадійливі: там, де MOF мають перевагу, вони дійсно мають перевагу – пропонуючи можливості, яких не мають альтернативи (наприклад, жоден інший матеріал не може так ефективно вловлювати воду при вологості 10% або зберігати стільки водню в такій легкій формі).
На завершення, MOF демонструють силу хімічних інновацій для вирішення глобальних викликів. Вони починали як цікавість у хімічних лабораторіях і перетворилися на платформу з потенціалом зробити промисловість чистішою, енергетику — більш стійкою, а такі ресурси, як вода, — доступнішими. Світові зусилля щодо розробки MOF — від американських стартапів до китайських університетів, європейських дослідницьких консорціумів до близькосхідних лабораторій — підкреслюють спільний оптимізм щодо цих матеріалів. Як влучно зазначено в одному звіті, MOF «переходять від наукової цікавинки до комерційної реальності», вирішуючи проблеми уловлювання вуглецю, води, енергії та багато іншого businesswire.com. Якщо нинішні тенденції збережуться, MOF незабаром можуть тихо працювати за лаштунками в багатьох аспектах повсякденного життя, допомагаючи втілювати більш екологічний і прогресивний світ. Наступного разу, коли ви зробите ковток води в пустелі, сядете за кермо водневого автомобіля чи вдихнете чистіше повітря в місті, можливо, саме метал-органічний каркас буде однією з причин цього.
Джерела: Останні дослідження та експертні коментарі щодо MOF були взяті з провідних наукових журналів, пресрелізів університетів та галузевих звітів, включаючи 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 releases businesswire.com, CORDIS (EU) cordis.europa.eu, та ринкові аналітичні огляди businesswire.com, серед інших. Ці джерела підкреслюють загальну думку, що MOF є проривною платформою у матеріалознавстві з швидко зростаючим впливом у реальному світі.
