什麼是MOF（金屬有機框架）？
金屬 - 有機框架（MOF）是有機 - 無機雜化晶體多孔材料，其由有機“接頭”分子包圍的正電荷金屬離子的常規陣列組成。金屬離子形成將接頭的臂結合在一起以形成重複，籠狀結構。由於這種中空結構，MOF具有極大的內表麵積。
研究人員已經合成了MOF，其表麵積為7800平方米/克。要將其放入上下文中，如果您可以將可用的表麵積放在此材料的茶匙（圍繞固體圍繞），它將覆蓋整個足球場。
與其他多孔材料 - 均勻的孔隙結構相比，MOFS提供獨特的結構多樣性;原子水平結構均勻性;可調孔隙度;廣泛的品種;網絡拓撲，幾何，維度和化學功能的靈活性。這允許研究人員成功控製框架拓撲，孔隙度和功能。
MOFS獨特的結構設計和可調性 - 由剛性周期性網絡結構中的有機和無機組分組成的結晶多孔材料 - 在常規多孔材料中，例如純無機沸石在常規多孔材料中不易獲得。
通過從不同的金屬原子和有機接頭製造MOF，研究人員可以產生選擇性地吸收特定氣體的材料，以在結構內量身定製的袋。因此，MOFS為各種傳感應用中的有效整合和勘探提供了極大的潛力。
在靈活性方麵，MOF可以隨意地像樂高磚一樣隨意地像樂高磚一樣傾向於，每個先前已知的材料均勻。
曆史和背景
材料的物理化學特性受到結構和組合物的協同作用，而MOF是令人著迷的中空結構材料的獨特結構如何提供整個有利特征的筏子。其中增強了表麵對體積比;低密度;微反應器環境;更高的裝載能力;並降低傳輸長度的質量和電荷。
因此，用於技術應用的中空結構的製備長期以來一直是化學家和材料科學家的流行研究領域。然而，具有可控的多孔或中空結構材料的合成 - 尤其是複雜的結構和某些組合物以受控方式對科學家來說一直是挑戰。
進入MOFS - 通過分子自組裝從有機和無機分子產生的晶體雜化材料。在20世紀90年代後期開創（“設計和合成異常穩定和高度多孔金屬 - 有機框架”）由奧馬爾·伯希教授在UC Berkeley，MOFS已成為一個快速增長的研究領域。
到目前為止，報告了超過90 000種不同的MOF結構，數量每天增長。
雖然令人興奮，但MOF的純粹數量實際上是創造一個問題：IT研究人員建議綜合新的MOF，他們如何知道它是否真正是一種新的結構，而不是已經合成的結構的一些小變化？為了解決這個問題，研究人員正在使用機器學習來開發一種“語言”，用於比較兩種材料並量化它們之間的差異（閱讀更多：“機器學習有助於解決大規模的MOF材料數據庫“）。
MOF應用程序
許多領域的許多應用正在開發出利用MOFS的籠式結構，例如儲氣儲存和分離，液體分離和淨化，電化學能量存儲，催化和傳感。
除了直接應用外，MOF還被用作獨特的前體，用於構建無機功能材料，具有無與倫比的設計可能性，如碳，金屬基化合物及其複合材料。
目前，碳質材料對其廣泛的應用感興趣，包括吸附，催化，電池，燃料電池，超級電容器和藥物遞送和成像。此外，一些傳感器也是碳質材料的重要應用之一，因為它們與人類健康密切相關。
在這些碳材料的製備中有各種方法，其中，由於其柔性和簡單性，直接從有機前體碳化是製備納米多孔碳的最常用方法。這些材料存在某些缺點，例如低表麵積，無序的結構和不均勻尺寸，這將極大地限製其應用。
然而，研究人員發現，來自金屬 - 有機框架（MOF）的碳材料可以克服這些限製（閱讀更多：“金屬有機框架衍生碳材料的應用“）。
MOF氣體傳感器
通常，可以檢測空氣中特定氣體的跡線的儀器是大型，昂貴的，能量密集的機器。
一種具有小，廉價和節能的氣體傳感器的一個有希望的方法涉及多孔材料，如金屬 - 有機框架（MOF）。通過從不同的金屬原子和有機接頭製造MOF，研究人員可以產生選擇性地吸收特定氣體的材料，以在結構內量身定製的袋。
MOFS的高表麵積也是高性能氣體傳感器的有益方麵。
一個例子是薄膜是塗覆在電極上的薄膜，其形成可以的電子傳感器檢測二氧化硫氣體的痕跡。
科學家們還發現，金屬有機框架，MFM-300（AL），不僅有效地過濾有害的二氧化氮氣體，而且還具有出色的能力氨儲存。
碳捕獲
該發現為設計更高效的材料來鋪平道路，這顯著降低了碳捕獲的整體能量成本。這種材料可用於從基於化石 - 燃料的發電廠以及大氣中的碳捕獲，從而減輕溫室效果。
在其他研究中，MG-MOF-74，開放式金屬位點MOF，已成為捕獲和儲存溫室氣體最有前途的策略之一。
MOFS作為生物醫學微生物
通過在微型和納米藻體中開發的概念，研究人員展示了嵌入在MOF中的貨物有效載荷的受控運動和交付。這些螺旋道基於MOF的微鼠，稱為MOFBOTS，由人工細菌鞭毛推進，可以在弱旋轉磁場的控製下在三個維度中遊泳和遵循複雜的軌跡。
製冷製造商
類似於上述碳捕獲應用，研究人員正在探索MOFS如何通過工程來幫助降低空調的能量消耗保持大量的製冷劑氣體。
這種氣體的高附著 - 一種名為R134和水的環保氟化物，適用於其在吸附冷卻係統中的使用，即A可以由廢熱供電。
和MOF的小納米結構及其較高的吸附速度是指冷卻係統可以更小，因此可以更小，並且因此更有效和經濟地是可行的。
另一種方法冷卻和加熱涉及MOF塗層吸收水蒸氣，如冷卻器或熱泵。
用mof從水中取出重金屬
研究人員用多巴胺處理了一種稱為Fe-BTC的MOF，該多巴胺聚合成多胺（PDA）釘在MOF內的聚合物。最終的複合材料，名為Fe-BTC / PDA，可以快速又選擇性地從水樣中除去大量的重金屬，如鉛和水汞。事實上，它可以消除其自身重量的1.6倍的汞重量和其重量鉛的0.4倍。
然後在溶液中測試Fe-BTC / PDA，作為燧石中的一些最嚴重的水樣，密歇根州。測試表明，MOF可以在幾秒鍾內降低鉛濃度為每十億零的2份，這是美國環境保護局和世界衛生組織認為可飲用的水平。
捕獲核廢料的MOF
在核電站和遺產廢物場所，特別難以捕獲的危害是放射性有機碘化物。這些化合物由碳氫化合物和碘製成。通過將具有可與有機碘化物結合的反應性氮的結合位點化學改性MOF，科學家建造表現出高甲基碘化物容量的MOF陷阱- 在相同條件下比目前使用的工業吸附劑高出三倍。
而且，這些新的MOF有利地用作較低溫度的良好吸收劑。此外，與其他已知的工業吸收劑不同，MOF吸附劑可以在不損失的情況下多次再循環。
MOF疫苗
MOF疫苗基於生物相容性的聚合物框架，即“凍結”疫苗內的蛋白質。當注射人體皮膚時，蛋白質溶解。這種創新可以幫助醫療服務提供商在偏遠地區運輸和管理疫苗，以不可靠的力量。
MOF疫苗除了它們在結晶晶格內凍結後，是含有像甲酚表麵上的蛋白質的抗原的晶體，它們不能變性或改變形狀。
MOF的結構優點使它們在室溫下比人工包裹如二氧化矽更好。具體地，MOFS的多孔結構允許它們用作半透屏障，以在疫苗中運輸蛋白質或抗原等生物物質。
植入式MOF營養傳感器
通過將MOF與柔性電子產品集成，無需使用酶的電化學檢測成為可能。在概念上的驗證工作中，研究人員已經證明了可以用於檢測抗壞血酸，L-色氨酸，甘氨酸和葡萄糖的痕跡的MOF傳感器，所有這些傳感器都是緊密參與代謝和循環過程的營養素。
可以植入這些傳感器，並且隨著MOF非常穩定，可以使用新技術同時在不同位置進行生物分子的長期監測。
這些設備可以用作幫助更好地理解各種生命過程的工具。它們可以用作植入物，以監測各種器官的不同位置的生物分子。當與更多的刺激和測量功能集成時，這種類型的設備可用於控製動物行為，揭示生物過程的潛在機製，監測健康狀況和治療疾病。