Trong Lễ trao giải VinFuture diễn ra vào tối ngày 20/1/2022 tại Nhà hát Lớn Hà Nội, chúng ta đã chứng kiến ​​giải thưởng đầu tiên thuộc về Giáo sư Omar Mwannes Yaghi – Giải đặc biệt dành cho các nhà khoa học nghiên cứu. Nghiên cứu các lĩnh vực mới – Với nghiên cứu tiên phong trong việc khám phá và phát triển các khung kim loại-hữu cơ. Vậy khung kim loại thực tế là gì?

 

 

MOFs – vật liệu kết hợp tinh thể được tạo ra từ cả phân tử hữu cơ và vô cơ thông qua quá trình tự lắp ráp phân tử đã được tiên phong vào cuối những năm 1990 (“Thiết kế và tổng hợp khung kim loại-hữu cơ”). đặc biệt ổn định và có độ xốp cao “) của Giáo sư Omar Yaghi, MOFs hiện đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển nhanh chóng. Cho đến nay, hơn 90.000 cấu trúc MOF khác nhau đã được báo cáo và số lượng của chúng vẫn đang tăng lên hàng ngày.

Khung cơ khí (MOF) là gì?

Khung kim loại-hữu cơ, còn được gọi là khung kim loại-hữu cơ (MOF), bao gồm hai thành phần chính: các ion kim loại hoặc các cụm ion kim loại và các phân tử hữu cơ được gọi là chất kết dính. Vì lý do này, vật liệu thường được gọi là vật liệu hữu cơ-vô cơ lai. Các ion kim loại tạo thành các nút liên kết các nhánh của liên kết với nhau tạo thành cấu trúc lặp lại. Do cấu trúc rỗng của chúng, MOFs có diện tích bề mặt riêng rất lớn.

So với các vật liệu xốp khác, MOFs có những ưu điểm như: kết hợp được cả thành phần hữu cơ và vô cơ, có cấu trúc tinh thể có trật tự ba chiều xác định, độ xốp cao, khả năng biến đổi cấu trúc (trước hoặc sau khi tổng hợp). Nhờ những ưu điểm này, số lượng các công bố nghiên cứu về MOFs đã tăng lên theo cấp số nhân, khoảng gấp đôi hàng năm (khoảng 6313 bài báo về MOFs được xuất bản từ năm 1995 đến tháng 5 năm 2011).

Các nhà nghiên cứu trước đây đã tổng hợp MOFs với diện tích bề mặt hơn 7.800 mét vuông / gam. Để dễ hình dung, chúng ta có thể hình dung rằng vật liệu này có thể bao phủ toàn bộ diện tích bề mặt của một sân bóng đá tiêu chuẩn quốc tế chỉ với một muỗng cà phê vật liệu này (khoảng một gam chất rắn). ).

MOFs có thể được ghép lại với nhau một cách tùy ý giống như các khối Lego và vượt trội hơn bất kỳ vật liệu nào đã biết trước đây về tính linh hoạt.

Các ứng dụng có thể có khác của MOF là lọc khí, tách khí, xử lý nước, xúc tác, dẫn chất rắn và siêu tụ điện.

Ứng dụng của khung cơ khí

Khung kim loại được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như lưu trữ và tách khí, tách và lọc chất lỏng, lưu trữ năng lượng điện hóa, xúc tác và cảm biến.

Ngoài các ứng dụng trực tiếp, MOFs còn được sử dụng làm tiền chất để chế tạo các vật liệu chức năng vô cơ có khả năng thiết kế đặc biệt, chẳng hạn như carbon, các hợp chất gốc kim loại và vật liệu tổng hợp của chúng.

MOF. cảm biến khí

Thông thường, chúng ta có thể phát hiện dấu vết của một loại khí cụ thể trong không khí thông qua các thiết bị lớn, đắt tiền, sử dụng nhiều năng lượng.

Tuy nhiên, MOF mở ra một cuộc cách mạng đầy hứa hẹn cho việc tạo ra các cảm biến khí nhỏ, rẻ tiền và tiết kiệm năng lượng. Bằng cách chế tạo MOFs từ các nguyên tử kim loại khác nhau và chất kết dính hữu cơ, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra vật liệu hấp thụ có chọn lọc các khí cụ thể.

Diện tích bề mặt lớn của MOFs cũng là một khía cạnh có lợi cho các cảm biến khí hiệu suất cao. Ví dụ, một màng mỏng MOF được thiết kế đặc biệt, được phủ trên một điện cực có thể tạo thành một cảm biến điện tử phát hiện dấu vết của khí lưu huỳnh điôxít, hoặc khung cơ học MFM-300 (Al) không chỉ lọc hiệu quả khí nitơ điôxít có hại mà còn có khả năng lưu giữ amoniac vượt trội.

 

Các phân tử lưu huỳnh điôxít (đỏ và vàng) được hấp thụ một cách có chọn lọc bởi các lỗ xốp trong khung kim loại-hữu cơ.

Chụp carbon

Một vật liệu MOF cụ thể thể hiện một cơ chế hợp tác chưa từng có để thu giữ và giải phóng carbon dioxide chỉ với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ. Cấu trúc này của MOF, với CO2 được hấp thụ gần giống với enzyme RuBisCO có trong thực vật, enzyme này thu giữ CO2 từ khí quyển để chuyển hóa thành chất dinh dưỡng.

Khám phá này mở đường cho việc thiết kế các vật liệu hiệu quả hơn giúp giảm đáng kể chi phí năng lượng tổng thể của quá trình thu giữ carbon. Những vật liệu như vậy có thể được sử dụng để thu nhận carbon từ các nhà máy điện dựa trên nhiên liệu hóa thạch cũng như từ khí quyển, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.

 

Cấu trúc nguyên tử của carbon dioxide được hấp thụ (quả cầu màu xám liên kết với hai quả cầu màu đỏ) được chèn vào giữa các nhóm mangan (quả cầu màu xanh lá cây) và nhóm amin (quả cầu màu xanh lam) trong khung kim loại-hữu cơ mới, tạo thành một amoni cacbamat mạch thẳng (trên cùng) .

 

MOFs như một microrobot y sinh

Bằng cách áp dụng các khái niệm được phát triển trong vi mô và nanorobotics, các nhà nghiên cứu đã chứng minh chuyển động có kiểm soát và phân phối tải “hàng hóa” được nhúng trong MOFs. Các vi cơ dựa trên MOF dạng xoắn này được gọi là MOFBOTs, được đẩy bởi các trùng roi vi khuẩn nhân tạo, có thể bơi và đi theo các quỹ đạo phức tạp dưới sự điều khiển của từ trường quay yếu.

 

 

Giảm tiêu thụ năng lượng làm mát

Tương tự như ứng dụng thu giữ carbon được mô tả ở trên, các nhà nghiên cứu đang khám phá cách MOFs có thể giúp giảm tiêu thụ năng lượng cho máy điều hòa không khí bằng cách thiết kế chúng để giữ một lượng lớn khí môi chất lạnh.

Tính liên kết cao của khí này – một loại fluorocarbon thân thiện với môi trường được gọi là R134 và nước – với MOFs hứa hẹn cho việc sử dụng chúng trong các hệ thống làm mát bằng chất hấp phụ có thể được cung cấp năng lượng bằng nhiệt thải.

Cấu trúc nano nhỏ của MOF và tỷ lệ hấp thụ cao của nó sẽ có nghĩa là hệ thống làm mát có thể được làm nhỏ hơn nhiều so với hiện tại, do đó hiệu quả hơn và khả thi về mặt kinh tế.

 

Bằng cách điều chỉnh hình dạng trình liên kết và các đặc điểm khác, kích thước, hình dạng và các đặc tính bề mặt bên trong của MOF có thể được tối ưu hóa cho các mục đích sử dụng cụ thể, chẳng hạn như làm mát hệ thống.

 

Loại bỏ kim loại nặng khỏi nước bằng MOFs

Các nhà nghiên cứu đã xử lý MOF, được gọi là Fe-BTC, bằng dopamine, sau đó được polyme hóa thành polydopamine (PDA), ghim polyme bên trong MOF. Hỗn hợp cuối cùng, được đặt tên là Fe-BTC / PDA, có thể loại bỏ một cách nhanh chóng và có chọn lọc lượng kim loại nặng cao như chì và thủy ngân khỏi các mẫu nước.

Fe-BTC / PDA sau đó được thử nghiệm trong các dung dịch độc hại như một số mẫu nước được tìm thấy ở Flint, Michigan. Các thử nghiệm cho thấy MOF có thể giảm mức chì xuống 2 phần tỷ chỉ trong vài giây, mức mà Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ và Tổ chức Y tế Thế giới coi là có thể uống được.

Thu gom chất thải hạt nhân

Tại các nhà máy điện hạt nhân và các bãi chôn lấp cũ, một nguy cơ đặc biệt khó nắm bắt là iốt hữu cơ phóng xạ. Các hợp chất này được tạo ra từ hydrocacbon và iốt. Bằng cách biến đổi MOFs về mặt hóa học với các vị trí liên kết với nitơ phản ứng có thể liên kết với iốt hữu cơ, các nhà khoa học đã chế tạo bẫy MOF thể hiện khả năng chứa metyl iodua cao – cao gấp ba lần so với iốt hữu cơ. Các chất hấp thụ công nghiệp hiện đang được sử dụng trong các điều kiện tương tự.

Ngoài ra, những MOFs mới này có ưu điểm là hấp thụ tốt ở nhiệt độ thấp hơn. Hơn nữa, chất hấp phụ MOF có thể được tái chế nhiều lần mà không bị mất công suất, không giống như các chất hấp phụ công nghiệp đã biết khác.

MOF. vắc xin

Vắc xin MOF dựa trên khung polyme tương hợp sinh học có tác dụng “đóng băng” các protein bên trong vắc xin. Sau đó các protein sẽ tan ra khi được tiêm vào cơ thể người. Sự đổi mới này có thể giúp các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe vận chuyển và quản lý vắc xin dễ dàng hơn, có thể mang chúng đến các vùng sâu vùng xa mà không phải lo lắng về nguồn điện không ổn định. .

Vắc xin MOF là các tinh thể của protein giống kháng nguyên trên bề mặt của bệnh cúm, nhưng chúng bị “đông cứng” bên trong mạng lưới nên không thể biến tính hoặc thay đổi hình dạng.

Những ưu điểm về cấu trúc của MOF cho phép chúng hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ phòng so với các loại phong bì nhân tạo như silica. Cụ thể, cấu trúc xốp của MOFs cho phép chúng hoạt động như một hàng rào bán thấm để vận chuyển các chất sinh học như protein hoặc kháng nguyên trong vắc xin.

Cảm biến MOF có thể cấy ghép

Bằng cách tích hợp MOFs với thiết bị điện tử linh hoạt, việc phát hiện điện hóa các chất dinh dưỡng mà không cần sử dụng enzyme sẽ trở nên khả thi. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng cảm biến MOF có thể được sử dụng để phát hiện dấu vết của axit ascorbic, L-Tryptophan, glycine và glucose, tất cả đều là những chất dinh dưỡng liên quan chặt chẽ đến quá trình trao đổi chất. và lưu thông.

Các cảm biến này có thể được cấy ghép và vì MOFs rất ổn định, ứng dụng có thể được sử dụng để tiến hành giám sát lâu dài các phân tử sinh học tại các vị trí khác nhau đồng thời.

Những thiết bị này có thể được sử dụng như một công cụ để giúp hiểu rõ hơn về các quá trình sống khác nhau. Chúng có thể được sử dụng làm thiết bị cấy ghép để theo dõi các phân tử sinh học tại các vị trí khác nhau trong các cơ quan khác nhau. Khi được tích hợp các chức năng kích thích và đo lường, loại thiết bị này có thể được sử dụng để kiểm soát các hành vi của động vật, tiết lộ cơ chế cơ bản của các quá trình sinh học, theo dõi sức khỏe và điều trị bệnh.

Ngoài ra, khung luyện kim còn có vô số ứng dụng khác như: Lưu trữ hydro; Điện phân; Chất bán dẫn; Khử muối / tách ion; Giữ hơi nước và hút ẩm …

 

Tổng hợp: Công Nghệ Chính Nhân