MamDethuong
New member
Metal-organic frameworks (MOFs) hay còn gọi là Khung kim loại-hữu cơ (nghe fancy ghê) thực chất là một loại hợp chất bao gồm các ion hoặc cụm kim loại được phối hợp với các phối tử hữu cơ để tạo thành cấu trúc một, hai hoặc ba chiều. Nghe khó hiểu nhỉ? Đơn giản là chúng thuộc nhóm polyme phối trí, nhưng điểm đặc biệt là chúng xốp như bọt biển vậy!
Tại Lễ trao giải thưởng VinFuture được tổ chức vào tối 20/01/2022 tại Nhà hát lớn Hà Nội, chúng mình đã được chứng kiến giải thưởng đầu tiên thuộc về giáo sư Omar Mwannes Yaghi - Giải đặc biệt dành cho nhà khoa học nghiên cứu các lĩnh vực mới. Ông ấy được vinh danh với công trình nghiên cứu tiên phong trong việc khám phá và phát triển các vật liệu khung cơ kim (Metal–organic frameworks). Vậy thực tế khung cơ kim này là gì mà xịn thế?
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 như vũ bão 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 nha!
## Khung cơ kim (MOF) là gì?
Khung cơ kim, hay còn gọi là khung kim loại-hữu cơ (MOF) bao gồm hai thành phần chính: ion kim loại hoặc cụm các ion kim loại và phân tử hữu cơ được gọi là chất liên kết. Vì lý do này, vật liệu thường được gọi là vật liệu vô cơ-hữu cơ lai (kiểu hybrid ấy mà). Các ion kim loại tạo thành các nút liên kết các nhánh của các liên kết với nhau để tạo thành một cấu trúc lặp lại. Do có cấu trúc rỗng nên MOFs có diện tích bề mặt riêng cực kỳ lớn - lớn đến không tưởng luôn!
So với các vật liệu xốp khác, vật liệu MOFs có những ưu điểm OP như: kết hợp cả thành phần hữu cơ và vô cơ, có cấu trúc dạng tinh thể trật tự ba chiều xác định, có độ xốp cao và có khả năng biến đổi cấu trúc (trước hoặc sau khi tổng hợp). Nhờ các thuận lợi đó, số lượng các công bố nghiên cứu về MOFs tăng nhanh theo cấp số nhân, tăng khoảng gấp đôi mỗi năm (có khoảng 6313 bài báo về MOFs công bố từ 1995 đến 05/2011). Trend này quá mạnh!
Các nhà nghiên cứu đã từng tổng hợp MOFs có diện tích bề mặt hơn 7.800 mét vuông/gam. Để dễ hình dung hơn, chúng ta có thể tưởng tượng rằng vật liệu này có thể bao phủ được toàn bộ diện tích bề mặt của một sân bóng tiêu chuẩn quốc tế chỉ với một thìa cà phê vật liệu này (khoảng một gam chất rắn). Crazy phải không nào!
MOF có thể được ghép lại với nhau một cách tùy ý như những khối Lego và vượt trội hơn mọi loại vật liệu đã biết trước đây về độ linh hoạt.
Các ứng dụng có thể có khác của MOF là lọc khí, tách khí, xử lý nước, trong xúc tác, dẫn chất rắn và siêu tụ điện. Đa năng vãi!
## Ứng dụng của khung cơ kim - Hữu ích thiệt đó!
Khung cơ kim được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như lưu trữ và phân 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 với khả năng thiết kế đặc biệt, chẳng hạn như cacbon, các hợp chất gốc kim loại và vật liệu tổng hợp của chúng.
### Cảm biến khí MOF
Thông thường, chúng ta có thể phát hiện dấu vết của một loại khí cụ thể trong không khí thông qua các thiết bị, các cỗ máy lớn, đắt tiền, sử dụng nhiều năng lượng.
Tuy nhiên, MOF lại mở ra một cuộc cách mạng đầy hứa hẹn để tạo ra các cảm biến khí nhỏ, rẻ tiền và tiết kiệm năng lượng. Bằng cách tạo ra MOF từ các nguyên tử kim loại khác nhau và các chất liên kết 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 riêng, được phủ lên một điện cực có thể tạo thành một cảm biến điện tử phát hiện dấu vết của khí lưu huỳnh điôxít hay khung cơ kim MFM-300 (Al) không chỉ lọc hiệu quả khí nitơ điôxít có hại mà còn có khả năng lưu trữ 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. Chọn lọc ghê chưa!
### Thu giữ carbon - Cứu trái đất thôi!
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 sự thay đổi 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 thiết kế các vật liệu hiệu quả hơn giúp giảm đáng kể chi phí năng lượng tổng thể của việc thu giữ carbon. Những vật liệu như vậy có thể được sử dụng để thu giữ carbon từ các nhà máy điện dựa trên nhiên liệu hóa thạch cũng như từ khí quyển, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính. Chiến đấu với biến đổi khí hậu đây rồi!
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 khuôn khổ hữu cơ kim loại mới, tạo thành một chuỗi amoni cacbamat mạch thẳng (trên cùng).
### MOFs như một vi robot y sinh
Nguồn: soha.vn