什麼是MOF(金屬有機框架)?
金屬-有機框架(MOFs)是有機-無機雜化結晶多孔材料，由有機“鏈接劑”分子包圍的帶正電的金屬離子的規則陣列組成。金屬離子形成節點，將連接器的臂連接在一起，形成一個重複的籠子狀結構。由於這種中空結構，MOFs具有非常大的內表麵積。
研究人員合成了每克表麵積超過7800平方米的MOFs。具體來說，如果你能列出一茶匙這種材料(大約一克固體)的可用表麵積，它將覆蓋整個足球場。
與其他多孔材料相比，MOFs具有獨特的結構多樣性——均勻的孔隙結構;原子水平結構均勻性;可調孔隙度;廣泛的品種;以及網絡拓撲、幾何形狀、尺寸和化學功能的靈活性。這使得研究人員能夠成功地控製框架的拓撲結構、孔隙度和功能。
MOFs獨特的結構設計和可調性——由有機和無機組分組成的剛性周期性網狀晶體多孔材料——是傳統多孔材料(如純無機沸石)不易獲得的。
通過用不同的金屬原子和有機連接器製造MOF，研究人員可以創造出選擇性地將特定氣體吸收到結構中定製的口袋中的材料。因此，MOFs為其在各種傳感應用中的有效集成和探索提供了巨大的潛力。
mof可以像樂高積木一樣任意組合在一起，在靈活性方麵優於所有已知的材料類別。
曆史和背景
材料的物理化學性質是由結構和成分的協同作用決定的，而MOFs是中空結構材料的獨特結構如何提供一係列優勢特性的迷人例子。其中包括增強的表麵體積比;低密度;微反應器環境;更高的負載能力;減少了質量和電荷的傳輸長度。
因此，製備用於技術應用的空心結構一直是化學家和材料科學家的熱門研究領域。然而，對科學家來說，以可控的方式合成具有可控結構——特別是複雜結構和特定成分的多孔或中空結構材料一直是一項挑戰。
MOFs是一種由有機和無機分子通過分子自組裝產生的結晶雜化材料。首創於1990年代末(“一種非常穩定的高多孔金屬-有機骨架的設計和合成”)， MOFs已經成為一個快速發展的研究領域。
到目前為止，已經報告了超過9萬種不同的MOF結構，而且數量每天都在增加。
盡管令人興奮，但MOF的數量確實帶來了一個問題:如果研究人員提議合成一種新的MOF，他們如何知道它是一種真正的新結構，而不是已經合成的結構的微小變化?為了解決這個問題，研究人員正在使用機器學習開發一種“語言”，用於比較兩種材料並量化它們之間的差異。機器學習幫助整理財政部海量的資料數據庫”)。
財政部的應用程序
利用MOFs的籠狀結構，如氣體儲存和分離、液體分離和淨化、電化學能量儲存、催化和傳感等領域的許多應用正在開發中。
除了直接應用外，MOFs還被用作具有無與倫比設計可能性的無機功能材料的獨特前驅體，如碳、金屬基化合物及其複合材料。
目前，碳質材料在吸附、催化、電池、燃料電池、超級電容器、藥物輸送和成像等方麵的廣泛應用引起了人們的廣泛關注。此外，一些傳感器也是碳質材料的重要應用之一，因為它們與人體健康密切相關。
這些碳材料的製備方法多種多樣，其中有機前驅體直接碳化是製備納米多孔碳最常用的方法，因為其靈活、簡單。然而，這些材料存在一定的缺點，如低表麵積、無序結構和不均勻的尺寸，這將極大地限製它們的應用。
然而，研究人員發現，來自金屬有機框架(MOFs)的碳材料可以克服這些限製(閱讀更多:金屬有機骨架碳材料的應用”)。
財政部氣體傳感器
通常情況下，能夠檢測到空氣中某種特定氣體的痕跡的儀器都是大型、昂貴、耗能的機器。
製造小型、廉價、節能氣體傳感器的一種很有前途的方法是使用像金屬有機框架(MOFs)這樣的多孔材料。通過用不同的金屬原子和有機連接器製造MOF，研究人員可以創造出選擇性地將特定氣體吸收到結構中定製的口袋中的材料。
MOFs的高表麵積也是高性能氣體傳感器的有利方麵。
一個例子是一種薄膜，一種定製的MOF，塗在電極上，形成一個電子傳感器檢測二氧化硫氣體的痕跡．
科學家們還發現，一種金屬-有機框架，MFM-300(Al)，不僅能有效過濾有害的二氧化氮氣體，而且它還具有出色的能力氨存儲．
碳捕獲
這一發現為設計更有效的材料鋪平了道路，這些材料可以顯著降低碳捕獲的整體能源成本。這種材料可以用於從化石燃料發電廠和大氣中捕獲碳，從而減輕溫室效應。
在其他的研究中,Mg-MOF-74，財政部開放金屬站點，已經成為捕獲和儲存溫室氣體最有前途的策略之一。
MOFs作為生物醫學微型機器人
通過應用微型和納米機器人的概念，研究人員已經演示了MOFs中嵌入的貨物有效載荷的控製運動和交付。這些螺旋基於mof的微型機器，稱為mof bot，由人工細菌鞭毛推動，在弱旋轉磁場的控製下，可以在三維複雜軌跡中遊泳和運動。
財政部為製冷
與上麵描述的碳捕獲應用類似，研究人員正在探索如何通過設計MOFs來幫助降低空調的能耗保留大量的製冷劑氣體．
這種氣體——一種名為R134的環保型氟碳化合物和水——高度附著在MOFs上，有望用於由廢熱驅動的吸附性冷卻係統。
MOF的小納米結構和它更高的吸附速率意味著冷卻係統可以做得更小，因此，更有效和經濟可行。
另一種方法冷卻和加熱涉及MOF塗層像冷水機或熱泵一樣吸收水蒸氣。
用MOFs去除水中的重金屬
研究人員用多巴胺處理被稱為Fe-BTC的MOF，它聚合成聚多巴胺(PDA)，將聚合物固定在MOF內。最終的複合材料Fe-BTC/PDA可以快速和選擇性地從水樣中去除大量的重金屬，如鉛和汞．事實上，它可以去除1.6倍於自身重量的汞和0.4倍於自身重量的鉛。
Fe-BTC/PDA隨後在與密歇根州弗林特市發現的一些最糟糕的水樣一樣有毒的溶液中進行測試。測試表明，MOF可以在幾秒鍾內將鉛濃度降低到十億分之二，這是美國環境保護署(Environmental Protection Agency)和世界衛生組織(who)認為可以飲用的水平。
用於捕獲核廢料的MOFs
在核電站和遺留廢物處理場，一個特別難以捕捉的危險是放射性有機碘化物。這些化合物是由碳氫化合物和碘構成的。通過化學修飾MOFs，使其結合位點具有能與有機碘化物結合的活性氮，科學家們已經構建了具有高甲基碘容量的MOF陷阱-在相同條件下，比目前使用的工業吸附劑高三倍以上。
此外，這些新的MOFs在較低的溫度下作為良好的吸收劑。此外，與其他已知的工業吸附劑不同，MOF吸附劑可以多次回收而不損失容量。
財政部疫苗
MOF疫苗基於一種生物相容性聚合物框架，可“凍結”疫苗內的蛋白質。當這些蛋白質被注射到人體皮膚中時就會溶解。這項創新可以幫助衛生保健提供者在電力不可靠的偏遠地區運輸和管理疫苗。
財政部疫苗是含有抗原的晶體，就像流感病毒表麵的蛋白質一樣，隻不過因為它們被凍結在晶格內，所以它們不能變性或改變形狀。
MOFs的結構優勢使它們在室溫下比人工外殼(如二氧化矽)表現更好。具體來說，MOFs的多孔結構使它們能夠作為半滲透屏障來運輸蛋白質或疫苗中的抗原等生物物質。
植入式MOF營養傳感器
通過將MOFs與柔性電子元件集成在一起不使用酶的營養物質電化學檢測將成為可能。在概念驗證工作中，研究人員已經演示了MOF傳感器，可以用於檢測微量的抗壞血酸、l -色氨酸、甘氨酸和葡萄糖，所有這些營養素都與新陳代謝和循環過程密切相關。
這些傳感器可以被植入，由於MOFs非常穩定，這項新技術可能被用於同時對不同位置的生物分子進行長期監測。
這些設備可以作為一種工具，幫助更好地理解各種生命過程。它們可以作為植入物來監測各種器官不同部位的生物分子。當結合更多的刺激和測量功能時，這類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，治療疾病。