Когда Нобелевская премия по химии 2025 года отметила Омара Яги — «отца металлоорганических каркасов» (MOF), вместе с Сусуму Китагавой и Ричардом Робсоном, она отметила не только создание нового класса кристаллических материалов. Она признала революцию, незаметно меняющую подходы учёных к захвату, хранению и обнаружению молекул. Эти MOF могут позволить создать технологии датчиков, которые сделают рабочие места, окружающую среду и человеческие тела более безопасными.
Металлоорганические каркасы (MOF) создаются путём связывания ионов металлов — атомов, несущих электрический заряд — с органическими молекулами, строительными блоками на основе углерода, которые содержатся в большинстве живых организмов. Вместе они образуют крошечные, похожие на губку структуры, полные микроскопических пор. Их можно представить как каркас атомного масштаба, заполненный комнатами наноразмера, каждая из которых точно спроектирована для размещения определённых молекул, как гостей.
Поскольку химики могут смешивать разные металлы и органические линкеры, существуют тысячи возможных MOF — каждый с уникальными свойствами. В зависимости от их структуры некоторые из них имеют настолько большую внутреннюю площадь поверхности, что один грамм может покрыть футбольное поле.
Эта губчатая пористость — наличие множества крошечных отверстий внутри — позволяет MOF улавливать и выпускать газы, хранить энергоёмкие виды топлива, такие как водород, и улавливать вредные загрязнители. MOF могут использовать различные химические вещества в своей структуре, что позволяет исследователям точно настраивать, насколько сильно MOF взаимодействует с определёнными молекулами.
Эти особенности уже вдохновили на потенциальное использование, такое как захват углекислого газа из воздуха для снижения концентрации парниковых газов в атмосфере, извлечение чистой воды из влажного воздуха и доставка лекарств внутри организма.
С 2016 года наша команда инженеров разрабатывает датчики на основе MOF, которые могут обнаруживать определённые газы и пары в окружающей среде в режиме реального времени. Уникальные свойства этих материалов открывают новые возможности для сенсорики в области здравоохранения, безопасности и мониторинга окружающей среды.
Когда MOF поглощает молекулы газа или жидкости, его крошечная структура меняется: он может изменить размер, преломление света или проводимость электричества, в зависимости от того, какие и сколько молекул он поглощает.
Подключив MOF к устройствам, которые могут фиксировать изменения света или электричества, исследователи могут превратить эти крошечные сдвиги в измеримые сигналы, такие как свет, частота или напряжение. Эти сигналы показывают, какое химическое вещество присутствует и в каком количестве.
Наша группа в Университете науки и технологий Миссури разработала несколько видов сенсорных платформ на основе MOF. Основная идея на всех платформах одинакова: MOF действуют как селективные губки, которые временно удерживают определённые молекулы газа в своих крошечных «клетках», а наши устройства измеряют время и количество этого поглощения и высвобождения.