MOFs – vật liệu lai tinh thể được tạo ra từ cả phân tử hữu cơ và vô cơ thông qua quá trình tự lắp ráp phân tử được nghiên cứu tiên phong vào cuối những năm 1990 ( “Thiết kế và tổng hợp khung hữu cơ kim loại đặc biệt ổn định và có độ xốp cao” ) bởi Giáo sư Omar Yaghi, hiện nay MOFs 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 tăng lên hàng ngày.
Bạn đang đọc: Giải ngố về metal–organic framework – công trình nghiên cứu vừa được vinh danh tại lễ trao giải khoa học VinFuture
Tóm Tắt
Khung cơ kim (MOF) là gì?
Khung cơ kim, hay còn gọi là khung kim loại-hữu cơ ( MOF ) gồm có hai thành phần chính : ion sắt kẽm kim loại hoặc cụm những ion sắt kẽm kim loại và phân tử hữu cơ được gọi là chất link. Vì nguyên do này, vật tư thường được gọi là vật tư vô cơ-hữu cơ lai. Các ion sắt kẽm kim loại tạo thành những nút link những nhánh của những link với nhau để tạo thành một cấu trúc lặp lại. Do có cấu trúc rỗng nên MOFs có diện tích quy hoạnh mặt phẳng riêng cực kỳ lớn .
So với những vật tư xốp khác, vật tư MOFs có những ưu điểm như : phối hợp cả thành phần hữu cơ và vô cơ, có cấu trúc dạng tinh thể trật tự ba chiều xác lập, có độ xốp cao và có năng lực đổi khác cấu trúc ( trước hoặc sau khi tổng hợp ). Nhờ những thuận tiện đó, số lượng những công bố nghiên cứu và điều tra về MOFs tăng nhanh theo cấp số nhân, tăng khoảng chừng gấp đôi mỗi năm ( có khoảng chừng 6313 bài báo về MOFs công bố từ 1995 đến 05/2011 ) .Các nhà nghiên cứu đã từng tổng hợp MOFs có diện tích quy hoạnh mặt phẳng hơn 7.800 mét vuông / gam. Để dễ tưởng tượng hơn, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể tưởng tượng rằng vật tư này hoàn toàn có thể bao trùm được hàng loạt diện tích quy hoạnh mặt phẳng của một sân bóng tiêu chuẩn quốc tế chỉ với một thìa cà phê vật tư này ( khoảng chừng một gam chất rắn ) .MOF hoàn toàn có thể được ghép lại với nhau một cách tùy ý như những khối Lego và tiêu biểu vượt trội hơn mọi loại vật tư đã biết trước đây về độ linh động .Các ứng dụng hoàn toàn có thể có khác của MOF là lọc khí, tách khí, giải quyết và xử lý nước, trong xúc tác, dẫn chất rắn và siêu tụ điện .
Ứng dụng của khung cơ kim
Khung cơ kim được ứng dụng trong nhiều nghành khác nhau, ví dụ điển hình như tàng trữ và phân tách khí, tách và lọc chất lỏng, tàng trữ nguồn năng lượng điện hóa, xúc tác và cảm ứng .Ngoài những ứng dụng trực tiếp, MOFs còn được sử dụng làm tiền chất để sản xuất những vật tư tính năng vô cơ với năng lực phong cách thiết kế đặc biệt quan trọng, ví dụ điển hình như cacbon, những hợp chất gốc sắt kẽm kim loại và vật tư tổng hợp của chúng .
Cảm biến khí MOF
Thông thường, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể phát hiện dấu vết của một loại khí cụ thể trong không khí trải qua những thiết bị, những cỗ máy lớn, đắt tiền, sử dụng nhiều nguồn năng lượng .Tuy nhiên, MOF lại mở ra một cuộc cách mạng đầy hứa hẹn để tạo ra những cảm ứng khí nhỏ, rẻ tiền và tiết kiệm ngân sách và chi phí nguồn năng lượng. Bằng cách tạo ra MOF từ những nguyên tử sắt kẽm kim loại khác nhau và những chất link hữu cơ, những nhà nghiên cứu hoàn toàn có thể tạo ra vật tư hấp thụ có tinh lọc những khí cụ thể .Diện tích mặt phẳng lớn của MOFs cũng là một góc nhìn có lợi cho những cảm ứng khí hiệu suất cao. Ví dụ, một màng mỏng dính MOF được phong cách thiết kế riêng, được phủ lên một điện cực hoàn toàn có thể tạo thành một cảm ứng điện tử phát hiện dấu vết của khí lưu huỳnh điôxítm hay khung cơ kim MFM-300 ( Al ) không chỉ lọc hiệu suất cao khí nitơ điôxít có hại mà còn có năng lực tàng trữ amoniac tiêu biểu vượt trội .
Các phân tử lưu huỳnh điôxít ( đỏ và vàng ) được hấp thụ một cách có tinh lọc bởi những lỗ xốp trong khung kim loại-hữu cơ .
Thu giữ carbon
Một vật tư MOF đơn cử biểu lộ một chính sách hợp tác chưa từng có để thu giữ và giải phóng carbon dioxide chỉ với sự đổi khác nhỏ về nhiệt độ. Cấu trúc này của MOF, với CO2 được hấp thụ gần giống với enzyme RuBisCO được tìm thấy 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 phong cách thiết kế những vật tư hiệu suất cao hơn giúp giảm đáng kể ngân sách nguồn năng lượng tổng thể và toàn diện của việc thu giữ carbon. Những vật tư như vậy hoàn toàn có thể được sử dụng để thu giữ carbon từ những xí nghiệp sản xuất điện dựa trên nguyên vật 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 link với hai quả cầu màu đỏ ) được chèn vào giữa những nhóm mangan ( quả cầu màu xanh lá cây ) và nhóm amin ( quả cầu màu xanh lam ) trong khuôn khổ hữu cơ sắt kẽm kim loại mới, tạo thành một chuỗi amoni cacbamat mạch thẳng ( trên cùng ) .
MOFs như một vi robot y sinh
Bằng cách vận dụng những khái niệm được tăng trưởng trong vi mô và nanorobotics, những nhà nghiên cứu đã chứng tỏ hoạt động có trấn áp và phân phối tải trọng ” sản phẩm & hàng hóa ” được nhúng trong MOFs. Các vi cơ dựa trên MOF dạng xoắn này được gọi là MOFBOT, được đẩy bởi trùng roi vi trùng tự tạo, hoàn toàn có thể bơi và đi theo những quỹ đạo phức tạp dưới sự tinh chỉnh và điều khiển của từ trường quay yếu .
Xem thêm: Moonbeam (GLMR) là parachain hoạt động đầu tiên trên Polkadot, tăng 200 lần sau khi list Binance
Giảm tiêu thụ năng lượng làm lạnh
Tương tự như ứng dụng thu giữ carbon được miêu tả ở trên, những nhà nghiên cứu đang khám phá cách MOFs hoàn toàn có thể giúp giảm tiêu thụ nguồn năng lượng cho điều hòa không khí bằng cách phong cách thiết kế chúng để giữ một lượng lớn khí làm lạnh .Sự kết nối cao của loại khí này – một loại fluorocarbon thân thiện với thiên nhiên và môi trường được gọi là R134 và nước – so với MOFs hứa hẹn cho việc sử dụng chúng trong những mạng lưới hệ thống làm mát bằng chất hấp phụ hoàn toàn có thể được phân phối nguồn năng lượng bằng nhiệt thải .Cấu trúc nano nhỏ của MOF và tỷ suất hấp thụ cao của nó sẽ đồng nghĩa tương quan với việc mạng lưới hệ thống làm mát hoàn toàn có thể được làm nhỏ hơn nhiều so với hiện tại, do đó, hiệu suất cao hơn và khả thi về mặt kinh tế tài chính .
Bằng cách điều chỉnh hình học trình link và những đặc thù khác, size, hình dạng và những đặc tính mặt phẳng bên trong của MOF hoàn toàn có thể được tối ưu hóa cho những mục tiêu sử dụng đơn cử, ví dụ điển hình như mạng lưới hệ thống làm mát .
Loại bỏ kim loại nặng khỏi nước bằng MOFs
Các nhà nghiên cứu đã giải quyết và xử lý MOF được gọi là Fe-BTC, bằng dopamine, sau đó polyme hóa thành polydopamine ( PDA ) ghim polyme bên trong MOF. Hỗn hợp ở đầu cuối được đặt tên là Fe-BTC / PDA, hoàn toàn có thể vô hiệu một cách nhanh gọn và có tinh lọc lượng sắt kẽm kim loại nặng cao như chì và thủy ngân khỏi những mẫu nước .Fe-BTC / PDA sau đó đã được thử nghiệm trong những dung dịch ô nhiễm như 1 số ít mẫu nước được tìm thấy ở Flint, Michigan. Các thử nghiệm cho thấy MOF hoàn toàn có thể làm giảm nồng độ 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 cho là hoàn toàn có thể uống được .
Thu giữ chất thải hạt nhân
Tại những nhà máy sản xuất điện hạt nhân và những bãi thải cũ, một rủi ro tiềm ẩn đặc biệt quan trọng khó chớp lấy là những chất phóng xạ iốt hữu cơ. Các hợp chất này được tạo ra từ hydrocacbon và iot. Bằng cách biến hóa hóa học MOFs với những vị trí link có nitơ phản ứng hoàn toàn có thể link với iốt hữu cơ, những nhà khoa học đã sản xuất bẫy MOF bộc lộ năng lực metyl iốtua cao – cao hơn ba lần so với chất hấp thụ công nghiệp hiện đang được sử dụng trong những điều kiện kèm theo giống nhau .Ngoài ra, những MOF mới này có lợi thế là chất hấp thụ tốt ở nhiệt độ thấp hơn. Hơn nữa, chất hấp phụ MOF hoàn toàn có thể được tái chế nhiều lần mà không bị mất hiệu suất, không giống như những chất hấp thụ công nghiệp đã biết khác .
Vắc xin MOF
Vắc xin MOF dựa trên khung polyme tương hợp sinh học có tính năng ” ngừng hoạt động ” những protein bên trong vắc xin. Sau đó, những protein sẽ hòa tan khi được tiêm vào khung hình con người. Sự thay đổi này hoàn toàn có thể giúp những nhà sản xuất dịch vụ chăm nom sức khỏe thể chất luân chuyển và quản trị vắc xin thuận tiện hơn, hoàn toàn có thể thể mang chúng tới những vùng sâu vùng xa mà không lo đến yếu tố nguồn điện thiếu không thay đổi .Vắc xin MOF là những tinh thể có chứa kháng nguyên giống như protein trên mặt phẳng của bệnh cúm, nhưng chúng được ” ướp lạnh ” bên trong mạng tinh thể nên chúng không hề biến tính hoặc đổi khác hình dạng .Những ưu điểm về cấu trúc của MOF được cho phép chúng hoạt động giải trí tốt hơn ở nhiệt độ phòng so với vỏ bọc tự tạo như silica. Cụ thể, cấu trúc xốp của MOFs được cho phép chúng hoạt động giải trí như một rào cản bán thấm để luân chuyển những 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 động, việc phát hiện điện hóa những chất dinh dưỡng mà không cần sử dụng enzym sẽ trở nên khả thi. Các nhà nghiên cứu đã chứng tỏ cảm ứng MOF hoàn toàn có thể được sử dụng để phát hiện dấu vết của axit ascorbic, L-Tryptophan, glycine và glucose, tổng thể đều là những chất dinh dưỡng tương quan ngặt nghèo đến quy trình trao đổi chất và tuần hoàn .
Các cảm biến này có thể được cấy ghép và vì MOFs rất ổn định nên ứng dụng này 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 như thiết bị cấy ghép để theo dõi các phân tử sinh học tại các vị trí khác nhau của các cơ quan khác nhau. Khi được tích hợp thêm 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 tình trạng sức khỏe và điều trị bệnh.
Ngoài ra, khung cơ kim còn vô số những ứng dụng khác như : Lưu trữ hydro ; Điện phân ; Chất bán dẫn ; Khử muối / tách ion ; Giữ hơi nước và hút ẩm …
https://final-blade.com/giai-ngo-ve-metalorganic-framework-cong-trinh-nghien-cuu-vua-duoc-vinh-danh-tai-le-trao-giai-khoa-hoc-vinfuture-20220120222652603.chn
Source: https://final-blade.com
Category: Tiền Điện Tử – Tiền Ảo
