Trong Lễ trao giải thưởng VinFuture được tổ chức vào tối 20/01/2022 tại Nhà hát lớn Hà Nội, chúng ta 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 - 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 là gì?

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.

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. 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.

So với các vật liệu xốp khác, vật liệu MOFs có những ưu điểm 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).

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).

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.

Ứng dụng của khung cơ kim

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 điôxítm 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.

Thu giữ 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 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.

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

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 trọng "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 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 lạnh

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 điều hòa không khí bằng cách thiết kế chúng để giữ một lượng lớn khí làm lạnh.

Sự gắn kết cao của loại khí này - một loại fluorocarbon thân thiện với môi trường được gọi là R134 và nước - đối 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 đồng nghĩa với việc 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 học 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 hệ thống làm mát.

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 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 đã 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 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 có thể uống được.

Thu giữ chất thải hạt nhân

Tại các nhà máy điện hạt nhân và các bãi thải cũ, một nguy cơ đặc biệt khó nắm bắt là các chất phóng xạ iốt hữu cơ. Các hợp chất này được tạo ra từ hydrocacbon và iot. Bằng cách biến đổi hóa học MOFs với các vị trí liên kết có nitơ phản ứng có thể liên kết với iốt hữu cơ, các nhà khoa học đã chế tạo bẫy MOF thể hiện khả năng metyl iốtua cao - cao hơn ba lần so với chất hấp thụ công nghiệp hiện đang được sử dụng trong các điều kiện 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 có thể được tái chế nhiều lần mà không bị mất công suất, không giống như các chất hấp thụ công nghiệp đã biết khác.

Vắc xin MOF

Vắc xin MOF dựa trên khung polyme tương hợp sinh học có chức năng "đóng băng" các protein bên trong vắc xin. Sau đó, các protein sẽ hòa tan khi được tiêm vào cơ thể con 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 thể mang chúng tới những vùng sâu vùng xa mà không lo đến vấn đề nguồn điện thiếu ổn định.

Vắc xin MOF là các tinh thể có chứa kháng nguyên giống như protein trên bề mặt của bệnh cúm, nhưng chúng được "đông lạnh" bên trong mạng tinh thể nên chúng 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 vỏ bọc nhân tạo như silica. Cụ thể, cấu trúc xốp của MOFs cho phép chúng hoạt động như một rào cản 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 enzym sẽ trở nên khả thi. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh 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 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...