Металлорганические каркасы (MOF — Metal Organic Framework) – что это такое?

Металлорганические каркасы (MOF - Metal Organic Framework) – что это такое?

Металлорганические каркасы (МОК) представлены органическо-неорганическими гибридными кристаллическими пористыми материалами, состоящими из отдельных ионов металлов (кластеров металлов), связанных политопными органическими лигандами. Металлорганические каркасы обеспечивают уникальное структурное разнообразие, в отличие от других пористых материалов. Благодаря этой особенности, достигается успешный контроль топологии, пористости и функциональности каркаса.

Кристаллические пористые материалы

Уникальная структура (изменчивая структура) МОК – это кристаллические пористые материалы, которые состоят, как из органических, так и неорганических компонентов в жесткой периодической сетевой структуре. Металлорганические каркасы не всегда доступны в обычных пористых материалах, например, чисто неорганических цеолитах.

Изготавливая металлорганические каркасы из различных атомов металла и органических линкеров, разработчикам доступно создавать материалы, которые избирательно поглощают определенные газы в специальные карманы внутри структуры. Поэтому металлорганические каркасы предлагают значительный потенциал для эффективной интеграции, а также исследований в различных областях применения датчиков.

Металлорганические каркасы - что это такое?
Примерно такими могут выглядеть натурально так называемые металлорганические каркасные структуры – в частности, синтезированный продукт «Ti-MIL-101»

Металлорганические каркасы допускают произвольную сборку, подобно кубикам конструктора «Lego» или аналогичным. При этом налицо превосходство любых ранее известных классов материалов, с точки зрения свойств гибкости. Этот вид пористых материалов имеет внутренние поверхности, которые могут составлять до 4000 м2/г.

Применения металлорганических каркасов

Отмечается разработка многочисленных применений, когда используется клетчатая структура МОК, обладающая беспрецедентными внутренними поверхностями и лёгкой химической настройкой для захвата с последующим хранением газов и частиц.

Так, углеродистые материалы вызывают повышенный интерес к широкому применению, где используются функции:

  • адсорбции,
  • катализа,
  • электролиза,
  • топливных элементов,
  • суперконденсаторов,
  • доставки лекарств и визуализации.

Кроме того, некоторые типы датчиков также видятся одной из важных областей применения углеродистых материалов, поскольку такие приборы тесно связаны с медицинской сферой.

Ручное изготовление металлорганической каркасной структуры
Ручная процедура приготовления МОК, характерная, как правило, для лабораторных испытаний. Ничего сложного и экстраординарного. Обычная химия

Существуют различные подходы к получению такого рода углеродных материалов. Однако среди готовых продуктов прямая карбонизация из органических материалов является наиболее часто используемым способом получения нанопористых углеродов. Эти материалы имеют определенные недостатки:

  • малую площадь поверхности,
  • неупорядоченные структуры,
  • неоднородные размеры,

что сильно ограничивает возможности применения. Однако исследованиями обнаружено, что углеродные материалы, полученные на основе металлорганических каркасов, способны преодолевать эти ограничения.

Металлорганические каркасы и газовые датчики

Как правило, приборы, призванные обнаруживать следы определенного газа в составе воздушной атмосферы, представляют собой габаритные, дорогостоящие, энергоёмкие машины. Поэтому одним из многообещающих способов изготовления небольших, недорогих, энергетически эффективных газовых датчиков выступают пористые материалы, в частности, металлоорганические каркасы.

Изготавливая МОК из различных атомов металла и органических линкеров, разработчикам доступно создание материалов, избирательно поглощающих определённые газы в специальные карманы внутри структуры. Большая площадь поверхности МОК также является преимуществом для высокопроизводительных газовых датчиков.

Одним из практических примеров является тонкоплёночный специально изготовленный МОК, нанесённый на электрод, образующий электронный датчик, способный обнаружить следы газообразного диоксида серы.

Устройства эффективного захвата парниковых газов

Исследованиями определён конкретный материал металлорганического каркаса, демонстрирующий беспрецедентный механизм улавливания и выпуска диоксида углерода при малых изменениях температуры. Такая структура МОК с адсорбированным CO2 сильно напоминает фермент «RuBisCO», обнаруженный в растениях, способный улавливать CO2 из атмосферы с последующим превращением в питательные вещества.

Этим примером открывается путь для разработки более эффективных материалов, значительно снижающих общие затраты энергии на процессы улавливание углерода. Подобного рода материалы допустимо использовать под фильтрацию углерода на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, а также непосредственно в атмосфере, смягчая парниковый эффект.

Ещё один пример, подтверждённый исследованиями – «Mg-MOF-74», металлорганический каркас с открытой металлической площадкой — наиболее перспективная стратегия фильтрации и хранения парниковых газов.

Удаление тяжелых металлов из воды с помощью МОК

Лабораторными исследованиями выполнена обработка металлорганической каркасной структуры, известной как «Fe-BTC». По сути, это допамин, полимеризованный в полидопамин, закрепляющий полимер внутри металлорганического каркаса. Конечный композит, названный «Fe-BTC», способен быстро избирательно удалять большое количество тяжелых металлов (свинец и ртуть) из проб воды. Фактически, композит способен удалить ртути  в 1,6 раза больше своего веса, а свинца в 0,4 раза.

Схема создания композита на основе МОК
Схема создания композитов: 1 – МОК гибрид; 2 – ковалентная модификация; 3 – нековалентное воздействие; 4 – варианты использования МОК; 5 – на металлических узлах; 6 – на лиганде; 7 – инкапсуляцией; 8 – послойно; 9 – выращиванием на месте; 10 – жертвенный шаблон; 11 – предшественник; М – другие материалы или малые молекулы

Композит «Fe-BTC» также испытывался в растворах, токсичных на таком же уровне, как худшие пробы воды. Испытания показали, что этот МОК за считанные секунды может снизить концентрацию свинца до 2 частей на миллиард. — уровень, который Всемирной организацией здравоохранения признан пригодным для питьевой воды.

Металлорганические каркасы под фильтр ядерных отходов

На атомных электростанциях и в местах хранения отходов особенно сложными под фильтрацию являются радиоактивные органические йодиды. Эти соединения состоят из углеводородов и йода.

Химически модифицируя МОК центрами связывания, где есть химически активный азот, способный связываться с органическими йодидами, ученые создали металлорганические каркасные фильтрующие структуры. Такие устройства демонстрируют более высокую способность метилиодида (увеличенную практически в три раза), чем применяемый в настоящее время промышленный адсорбент в идентичных условиях.

Кроме того, такие металлорганические каркасы преимущественно служат хорошими абсорбентами при более низких температурах. Плюс, адсорбент МОК допустимо повторно использовать многократно без потери ёмкости, в отличие от других известных промышленных абсорбентов.

Металлорганические каркасы под  вакцины

Вакцины с металлорганическими каркасами основаны на биосовместимой полимерной структуре, «замораживающей» белки внутри вакцин. Белки затем растворяются при попадании в кожу человека. Это нововведение может помочь медицинским работникам транспортировать и вводить вакцины в условиях отдалённых районов с ненадёжным электропитанием.

Вакцины МОК представлены кристаллами, содержащими антиген, подобный белку на поверхности вируса гриппа. Исключение составляет фактор заморозки внутри кристаллической решётки, поэтому антиген не может денатурировать или изменить форму.

Металлорганический каркас - структура вакцины
Дендритные клетки, представленные нано-вакцинами, которые, в данном случае, выглядят подобно дискам, приготовленным из пористых частиц кремния, нагруженных иммунитетом

Конструктивные преимущества металлорганических каркасных структур позволяют работать лучше при комнатной температуре, чем искусственные оболочки, подобные таким, как кремнезём. В частности, пористая структура металлорганического каркаса позволяет функционировать как полупроницаемый барьер для транспортировки в составе вакцин биологического вещества — белка или антигена.

Имплантируемые питательные датчики МОК

Благодаря интеграции металлорганических каркасных структур с гибкой электроникой, становится возможным электрохимическое обнаружение питательных веществ без использования ферментов. Экспериментально исследователями уже продемонстрированы датчики МОК, допускающие использование для обнаружения следов:

  • аскорбиновой кислоты,
  • L-триптофана,
  • глицина,
  • глюкозы,

которые являются питательными веществами, тесно связанными с процессами обмена веществ и кровообращения.

Эти датчики допустимо имплантировать, а поскольку металлорганические каркасы очень стабильны, новый метод может потенциально использоваться для проведения долгосрочного мониторинга биомолекул в разных местах одновременно.

Эти устройства реально использовать как инструмент, помогающий лучше понять различные жизненные процессы. В сочетании с большим количеством функций стимуляции и измерения, этот тип устройств удачно применим для контроля поведения животных, выявления основного механизма биологических процессов, мониторинга состояния здоровья и лечения заболеваний.


При помощи информации: NanoWerk


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *