Technologia

MOF – cudowne materiały

Numer 10/2019
Oczyszczają powietrze i wodę, wychwytują wilgoć, produkują wodór, pozwalają pracować nanosilnikom. Można nimi otaczać leki, wytwarzać z nich skafandry dla bakterii i zmieniać rośliny. To tylko niektóre z zastosowań sieci metaloorganicznych – krystalicznych struktur zbudowanych z jonów metali otoczonych siecią ze związków organicznych.

Miasteczko Scottsdale, leżące na arizońskiej pustyni, to nie najlepsze miejsce, aby uzyskiwać wodę z powietrza. Wilgotność za dnia wynosi tam zaledwie 8%, nocą więcej, ale też nie za wiele – tylko 40%. Naukowcy z University of California w Berkeley są jednak dobrej myśli. Rozkładają swoje urządzenie i czekają. Pojawia się woda, jak się potem okazuje, idealnie czysta. „Urządzenie działa w temperaturze otoczenia, pod wpływem słońca. Bez żadnej dodatkowej energii można za jego pomocą uzyskać wodę na pustyni – mówi autor wynalazku prof. Omar Yaghi. – Najważniejsze jest to, że przyrząd ten działa w niskiej wilgotności, a taka panuje w suchych rejonach świata” – dodaje badacz.

Sekret kryje się w niepozornie wyglądającym proszku. Materiał pochłania wodę nocą, kiedy w powietrzu jest jej więcej, a temperatura jest niższa, i oddaje ją w dzień, pod wpływem ogrzewających go promieni słonecznych. Proszek składa się z niewielkich kryształków zbudowanych z jonów cyrkonu otoczonych strukturą ze związków organicznych. W pustynnych warunkach z kilograma takiego proszku można uzyskać 200 ml wody na dobę. Naukowcy opracowali już jednak nowy materiał, który zamiast cyrkonu zawiera 150 razy tańsze aluminium i pozwala na uzyskiwanie dwukrotnie większej ilości wody. Obie substancje należą do grupy sieci metaloorganicznych (ang. metal-organic frameworks – MOFs).

Powstały już dziesiątki tysięcy materiałów tego typu z różnymi metalami i strukturami organicznymi. Jedna z ich wspólnych cech jest taka, że mają ogromną powierzchnię wewnętrzną – dla 1 g MOF przekracza ona powierzchnię boiska do piłki nożnej. Dlatego mogą m.in. działać jak molekularne gąbki, pochłaniające zależnie od swojej budowy różne substancje. Z tego względu bada się je pod kątem wychwytywania dwutlenku węgla, różnego rodzaju zanieczyszczeń powietrza i wody, rozdzielania różnych substancji (np. produktów ropopochodnych) czy przechowywania wodoru. Pomysłowość naukowców jest nieograniczona, a wydaje się, że możliwości MOF jej niemal dorównują. Dlatego powstają ich różnorodne, czasem wręcz niezwykłe zastosowania, które można będzie wykorzystać w naszych domach, przemyśle, ochronie środowiska, medycynie, a nawet w kosmosie.

Komfort w domu i na statku kosmicznym

Zdolność sieci MOF do pochłaniania i oddawania wody wykorzystał także zespół badaczy z King Abdullah University of Science and Technology (KAUST). Jak twierdzą naukowcy, dzięki ich wynalazkowi być może całkiem niedługo będzie można poczuć się bardziej komfortowo w domu, w samolocie czy nawet – w przypadku astronautów – w pojeździe kosmicznym. Opracowana przez saudyjskich ekspertów substancja nazwana Y-shp-MOF-5 zaczyna gwałtownie pochłaniać obecną w powietrzu wodę, kiedy wilgotność przekroczy 55%. Natomiast przy 45% zaczyna ją oddawać. W ten sposób automatycznie, bez nakładu energii może utrzymywać wilgotność w pomieszczeniu na optymalnym poziomie. W dotychczasowych eksperymentach materiał utrzymał swoje właściwości jeszcze po tysiącu cykli. Badacze wyjaśniają, że kluczem do działania ich wynalazku jest znaczna ilość hydrofobowych (odpychających wodę) struktur organicznych zawartych wewnątrz materiału. Dzięki temu woda wnika do niego dopiero przy dostatecznie dużym stężeniu, a wtedy szybko gromadzi się wewnątrz porowatej sieci. „Unikalne właściwości Y-shp-MOF-5 stawiają tę substancję w czołówce technologii tworzonych z myślą o automatycznej kontroli wilgotności w zamkniętych pomieszczeniach” – twierdzi kierujący badaniami prof. Mohamed Eddaoudi.

Czysta woda i powietrze

W podobny sposób jak wodę w MOF można schwytać m.in. różnego typu szkodliwe substancje. Na przykład badacze z École polytechnique fédérale w Lozannie zaprojektowali metaloorganiczną sieć wyjątkowo sprawnie wychwytującą metale ciężkie z wody. W wielu rejonach świata brakuje pitnej wody właśnie ze względu na zanieczyszczenie metalami ciężkimi. Problem może się jeszcze nasilić razem ze zmianami klimatycznymi. Opracowany materiał tymczasem pochłania rtęć i ołów w ilościach odpowiednio 160% i 40% masy własnej. W przeprowadzonych do tej pory badaniach sieć m.in. sprawnie przywracała czystość wodzie pobieranej z rzek, morza czy oczyszczalni ścieków. Szwajcarscy naukowcy opracowali też bezpieczną dla środowiska metodę regeneracji materiału do ponownego użycia. Podobnie można oczyszczać powietrze. Badacze z KAUST zaprezentowali niedawno sieci MOF wychwytujące z powietrza m.in. dwutlenek siarki. Wynalazek mógłby więc znaleźć zastosowanie np. w kominach.

Wodór z wody i światła

Jak już wspomniano, możliwości sieci MOF wykraczają daleko poza gromadzenie różnych substancji. Naukowcy z laboratorium symulacji molekularnych na École polytechnique fédérale w Lozannie zaprojektowali np. zawierający niedrogi i łatwo dostępny nikiel MOF, który działa jak fotokatalizator, tzn. związek przyspieszający daną reakcję chemiczną pod wpływem światła. Co więcej, otrzymany materiał działa jednocześnie na dwa sposoby. W dwóch reakcjach zachodzących w tym samym czasie pod wpływem widzialnego światła rozbija cząsteczki wody i jednocześnie rozkłada obecne w wodzie substancje organiczne, np. zanieczyszczenia. W przeprowadzonych do tej pory eksperymentach MOF sprawnie usuwał z wody rodaminę B – toksyczny barwnik używany często do symulowania organicznych zanieczyszczeń. Jak tłumaczą naukowcy, ich wynalazek może pozwolić na jednoczesne oczyszczanie wody i produkcję z niej wodoru.

Trzysta trylionów nanosilników

Wyjątkową strukturę sieci MOF próbują wykorzystać także eksperci z dziedziny nanotechnologii. Jako świetny przykład można podać projekt prof. Bena Feringi z Rijksuniversiteit Groningen. Naukowiec w 2016 r. odebrał Nagrodę Nobla za swoją pracę nad maszynami molekularnymi. Feringa opracował m.in. zasilane światłem obrotowe nanosilniki. Aby jednak wykorzystać ich możliwości, trzeba sprawić, by duża liczba – nawet miliardy takich silniczków – pracowała zgodnie w jakiejś większej, najlepiej trójwymiarowej strukturze. To zadanie do tej pory wymykało się nanotechnologom. Zespół prof. Feringi zdołał sobie z nim poradzić właśnie dzięki sieciom metaloorganicznym. Badacze umieścili w takim szkielecie, bagatela, 3 × 1020 nanosilników. Aby tego dokonać, zastąpili nimi część organicznych elementów sieci. Pod wpływem światła UV nanomotory działają z podobną prędkością i w tym samym kierunku. Wśród zastosowań takiego systemu naukowcy wymieniają np. sterowanie układami mikroprzepływowymi czy prowadzonymi wewnątrz kryształów MOF reakcjami chemicznymi.

Leki nowej generacji

Metaloorganiczne sieci mają też szansę z niemałą siłą wkroczyć na teren medycyny. Ich możliwości dobrze pokazuje projekt naukowców z Pennsylvania State University, którzy wykorzystali tego typu strukturę do opakowania leku przeciwnowotworowego. Dzięki temu, po pierwsze, nie atakuje go układ immunologiczny, a po drugie – dociera on do chorych komórek, omijając zdrowe. Ale po kolei... Komórki nowotworowe wydzielają otoczone błoną komórkową pęcherzyki, które hamują ataki układu odpornościowego. Toksyczne dla komórek białko badacze zapakowali więc najpierw w siatkę zbudowaną z MOF, następnie przymocowali do niej wydzielane przez komórki raka pęcherzyki. W ten sposób białko jest bezpieczne, kiedy znajdzie się w krwiobiegu. To jednak nie wszystko – pęcherzyki mają tendencję do łączenia się z komórkami nowotworowymi. Dzięki temu otoczony nimi lek nie oddziałuje z komórkami zdrowymi, a kiedy napotka komórki chore, razem z opakowaniem wnika do ich wnętrza. Tam niższe pH powoduje rozpad zbudowanej z MOF kapsułki i uwolnienie trującego białka. „Zaprojektowaliśmy strategię wykorzystującą zewnątrzkomórkowe pęcherzyki otrzymywane z komórek nowotworowych – mówi autor pomysłu prof. Siyang Zheng. – Usuwamy 99% zawartości tych pęcherzyków i owijamy nimi nanocząstki z metaloorganicznej sieci. Jeśli za pomocą biopsji czy zabiegu chirurgicznego uda się pobrać pęcherzyki od pacjenta, wtedy stworzone przez nas nanocząstki będą wyszukiwały guzy poprzez proces zwany homotypowym kierowaniem.

Bakterie w skafandrach

W podobny sposób można opakować nawet całe organizmy, co pokazali chemicy z University of California w Berkeley. Sieciami MOF naukowcy pokrywają bakterie. Po co? Otóż starają się je wykorzystać do produkcji różnego rodzaju substancji organicznych. Na przykład dwa badane przez nich gatunki – Morella thermoacetica i Sporomusa ovata – pochłaniają dwutlenek węgla i tworzą z niego kwas octowy, stosunkowo łatwy do przetworzenia w inne związki. Badacze łączą bakterie z półprzewodnikami, które pod wpływem światła emitują duże ilości elektronów wykorzystywanych przez bakterie do pracy. Mikrobom jednak szkodzi tlen powstający w trakcie ich działania. Aby chronić bakterie, naukowcy opracowali więc sieci MOF, wychwytujące i unieszkodliwiające reaktywne formy tlenu. Sieci mają też tę właściwość, że przyklejają się do mikroorganizmów. Są przy tym na tyle elastyczne, że bakterie mogą się swobodnie rozmnażać. „Używamy tej biohybrydy do wychwytywania CO2, aby produkować paliwa, leki i inne chemikalia. Pracujemy też nad chwytaniem azotu, by wytwarzać nawozy. Jeśli Matt Damon będzie chciał hodować ziemniaki na Marsie (odniesienie do filmu „Marsjanin” – przyp. red.), będzie potrzebował nawozu” – opowiada kierujący grupą badawczą prof. Peidong Yang. „Można myśleć o tych sieciach MOF podobnie jak o jednowarstwowym płaszczu z grafenu, który pokrywa bakterie. Dwuwymiarowe MOF pływają w roztworze z bakteriami i kiedy mikroby się rozmnażają, kolejne są pokrywane siecią chroniącą je przed tlenem” – wyjaśnia współtwórca technologii prof. Omar Yaghi.

Żywe fabryki sieci MOF

To nie wszystko. Można nawet nakłonić żywe organizmy, aby same produkowały zmieniające je metaloorganiczne sieci. Tak naukowcy z University of Melbourne postąpili z roślinami. Jak bowiem tłumaczą, ludzie od dawna wprowadzali do roślin obce substancje. „Jako przykład można podać kolorowanie kwiatów. Obciętą łodygę zanurza się w roztworze z barwnikiem, który zostanie wchłonięty przez roślinę i wniknie do płatków kwiatu. W ten sposób pojawią się piękne kolory” – mówi dr Joseph Richardson, autor nowej technologii. Jednak sieci MOF są zbyt duże, aby mogły łatwo przenikać systemem transportującym w roślinach wodę. Dlatego australijscy badacze osobno podali im elementy składowe MOF – sole z jonami metali i elementy organiczne. Sieci, które miały z nich powstać, zostały tak zaprojektowane, że posiadały fluorescencyjne właściwości malejące pod wpływem acetonu. Po pewnym czasie pojawiła się fluorescencja, ale kiedy naukowcy podali roślinom aceton, jej intensywność spadła.

Badacze chcą sprawdzić, czy w podobny sposób da się wytwarzać w roślinach struktury MOF reagujące także na inne substancje, np. materiały wybuchowe i inne groźne chemikalia. W ten sposób można by takie materiały wykrywać np. na lotniskach. Naukowców interesuje też zwiększenie odporności roślin na promieniowanie ultrafioletowe czy nawet nadanie im zdolności zamiany promieni UV na przydatne w fotosyntezie promienie widzialne. „Ponieważ rozważa się hodowlę roślin w przestrzeni kosmicznej i na Marsie, gdzie nie ma atmosfery chroniącej przed promieniowaniem UV, taka zdolność roślin byłaby przydatna. Nie tylko chroniłaby je przed ultrafioletem, ale pozwalałaby zamieniać go w użyteczną energię. Tym bardziej ma to znaczenie, że kiedy oddalamy się od Słońca, coraz trudniej jest schwytać światło potrzebne do fotosyntezy” – podkreśla dr Richardson. Czy więc XXI w. zapamiętamy jako ten, w którym metaloorganiczne sieci opanowały Ziemię i pomogły ludziom podbić kosmos?

Marek Matacz
niezależny dziennikarz popularnonaukowy, z wykształcenia biotechnolog

01.10.2019 Numer 10/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną