Binnen de wereld van de materialen regent het publicaties over zogenoemde Metal-Organic Frameworks, kortweg MOFs genoemd. Deze hybride materialen duiken in veel verschillende vormen op. Maar wat zijn MOFs nou eigenlijk en wat kun je ermee?
Stand van zaken
Wat zijn MOFs?
MOFs zijn hybride materialen die bestaan uit metaalionen en organische moleculen – zogenaamde liganden - die deze metalen bij elkaar houden. Door de manier waarop de metalen en de liganden aan elkaar binden, ontstaat er een open structuur. Je kunt het vergelijken met een spons. Door met de verschillende componenten te spelen kun je de spons er elke keer weer anders uit laten zien.
Deze structuur zorgt ervoor dat het materiaal erg reactief is. Vloeistoffen en gassen kunnen er makkelijk doorheen vloeien en zo met elke porie in contact komen. Onderzoekers proberen nu zo veel mogelijk verschillende MOFs te maken, want elke MOF heeft weer andere eigenschappen en potentie voor veel verschillende toepassingen.
Hoe maak je MOFs?
Om een MOF te maken gebruiken veel chemici hydrothermale synthese. Dit betekent dat je je oplosmiddel – meestal water, DMF of DEF – opwarmt en op een bepaalde temperatuur houdt. Vervolgens voeg je het metaal en het ligand toe en laat je het enkele uren koken of plaats je het in een oven.
In theorie kun je elk metaal – of elke metaalcluster – gebruiken om een MOF te maken. In het verleden zijn er al MOFs gemaakt met indium, koper, zink, chroom, kobalt en nog veel meer. Wel zorgt het ene metaal voor een stabielere constructie dan de andere. Ook de liganden zijn erg flexibel.
Een kort ligand zorgt voor een MOF met kleine gaten, lange liganden maken de gaten in de MOF groter. Gemiddeld gezien zijn de gaten in MOFs ongeveer 2 nanometer groot. Dat is precies groot genoeg om de meeste kleine moleculen te kunnen vangen. Voor toepassingen in de biologische hoek proberen onderzoekers ook MOFs te maken met metalen die in ons lichaam geen schade aanrichten, zoals calcium of ijzer, in combinatie met natuurlijke liganden.
Wat kun je met MOFs?
Omdat je in principe elk metaal en elke ligand kunt gebruiken, lijken de mogelijkheden met deze materialen eindeloos. Inmiddels zijn er al meer dan 10 duizend structuren bekend en lijst groeit nog steeds. Toch zijn lang niet al deze MOFs echt bruikbaar. Veel structuren vallen al snel uiteen omdat ze niet tegen vocht kunnen. Het water hydroliseert de verbindingen tussen het metaal en de liganden. Ook kunnen niet alle MOFs even goed tegen warmte.
Er zijn ook MOFs die wel stabiel blijken en veel mogelijkheden bieden. Vooral gasscheiding lijkt een voor de hand liggende toepassing. Er zijn MOFs ontwikkeld met poriën die precies groot genoeg zijn om bepaalde moleculen uit gassen op te vangen en zo bijvoorbeeld de lucht te filteren. Ook kunnen enkele structuren CO2 opvangen uit de torens van fabrieken.
Naast het filteren van gas kunnen de structuren nog veel meer. Omdat het metaal zo veel oppervlakte heeft waar reacties plaats kunnen vinden, hebben MOFs veel potentie als katalysator. Ze kunnen ook gebruikt worden als sensors, bijvoorbeeld om bepaalde gassen te detecteren, en als materialen die langzaam moleculen zoals medicijnen af kunnen geven.
Een van de eerste commerciële toepassing van een MOF is op de markt gebracht door een bedrijf genaamd MOF technologies in Belfast. Zij hebben een MOF ontwikkelt die gebruikt wordt tijdens het vervoeren van fruit. De MOF laat heel langzaam een molecuul los die ervoor zorgt dat fruit niet gaat rotten. Een bedrijf genaamd NUMAT in Chicago heeft ook een MOF op de markt gebracht, maar dan voor een toepassing bij chipfabrikanten.
Toekomstbeeld
Hoewel MOFs in theorie gebouwd kunnen worden van bijna alle elementen, lijken de toekomstige toepassingen eindeloos. Toch verwachten veel onderzoekers niet dat MOFs de wereld over gaan nemen, mede door hun instabiliteit. Maar in specifieke vakgebieden kunnen ze wel een uitkomst bieden. Vooral in de gebieden van katalyse, scheiding van gassen en sensoren lijken ze veel toekomst te hebben.
Van toen tot nu
1999: Onderzoekers aan de Hong Kong Universiteit maken de eerste stabiele MOF: HKUST-1. Omar Yaghi, hoogleraar aan de Universiteit van California, publiceert in datzelfde over jaar zijn stabiele MOF-5. Een nieuwe vakgebied is geboren.
2002: Omar Yaghi ontwikkelt een MOF die methaan op kan slaan en langzaam weer loslaat. BASF wil deze materialen gebruiken om auto’s van brandstof te voorzien.
2006: Franse onderzoekers ontwikkelen een MOF die medicijnen kan vervoeren en afgeven.
2013: Makoto Fujita (Universiteit van Tokyo) gebruikt een MOF om de X-ray structuur van organische moleculen te bepalen.
2014: Het team van Jeffrey Long van Universiteit van California ontwikkelt een MOF die meer waterstof kan binden dan elke MOF daarvoor.