Giải thưởng về khung cấu trúc kim loại-hữu cơ - một dự án nghiên cứu vừa được vinh danh tại lễ trao giải khoa học VinFuture

Khung cấu trúc kim loại-hữu cơ (MOFs) còn được biết đến là Khung kim loại-hữu cơ hoặc khung cơ kim là một loại hợp chất gồm các ion hoặc cụm kim loại kết hợp với các phối tử hữu cơ để tạo thành cấu trúc một, hai hoặc ba chiều. Chúng là một phân loại của polyme phối trí, với đặc điểm là thường có cấu trúc xốp.

Tại Lễ trao giải VinFuture diễn ra vào tối 20/01/2022 tại Nhà hát lớn Hà Nội, chúng ta đã 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?

Khung cơ kim (MOF) là gì?

Khung cơ kim, hoặc 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.

Các nhà nghiên cứu đã từng tổng hợp MOFs có diện tích bề mặt lên đến hơn 7.800 mét vuông/gam. Để dễ hiểu hơn, bạn có thể tưởng tượng rằng vật liệu này có thể phủ toàn bộ diện tích bề mặt của một sân bóng đá chuẩn quốc tế chỉ với một thìa cà phê MOFs (khoảng một gam chất rắn).

MOF có thể ghép lại với nhau như những khối Lego và vượt trội hơn mọi loại vật liệu đã biết trước đó về tính linh hoạt.

Các ứng dụng tiềm năng của MOFs bao gồm lọc khí, tách khí, xử lý nước, xúc tác, lưu trữ chất rắn và siêu tụ điện.

Ứng dụng của khung cơ kim

Khung cơ kim được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau 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 như là tiền chất để tạo ra các vật liệu chức năng vô cơ có thiết kế đặc biệt, như cacbon, các hợp chất gốc kim loại và các vật liệu tổng hợp từ chúng.

Cảm biến khí MOF

Thường thì, ta có thể phát hiện dấu vết của một loại khí cụ thể trong không khí thông qua các thiết bị, máy móc lớn, tốn kém và tiêu tốn năng lượng nhiều.

Tuy nhiên, MOF mở ra một cuộc cách mạng đầy triển vọng 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 khí cụ thể một cách chọn lọc.

Diện tích bề mặt lớn của MOFs cũng là một điểm lợi thế cho các cảm biến khí hiệu suất cao. Ví dụ, một lớp mỏng MOF được thiết kế riêng, phủ lên một điện cực, có thể tạo ra một cảm biến điện tử phát hiện dấu vết của khí SO2 hay khung cơ kim MFM-300 (Al) không chỉ lọc hiệu quả khí CO2 có hại mà còn có khả năng lưu trữ ammonia vượt trội.

Thu giữ carbon

Một vật liệu MOF cụ thể thể hiện một cơ chế hợp tác mới mẻ để thu giữ và giải phóng CO2 chỉ với sự thay đổi nhỏ về nhiệt độ. Cấu trúc này của MOF, với CO2 được hấp thụ gần giống với enzyme RuBisCO trong thực vật, enzyme này thu giữ CO2 từ khí quyển để chuyển hóa thành chất dinh dưỡng.

Khám phá này mở ra cơ hội thiết kế các vật liệu hiệu quả hơn giúp giảm đáng kể chi phí năng lượng tổng thể của quá trình thu giữ carbon. Những vật liệu như vậy có thể được sử dụng để thu giữ carbon từ các nhà máy điện than cũng như từ khí quyển, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.

MOFs như một loại robot y sinh

Áp dụng các khái niệm từ vi mô và nanorobotics, các nhà nghiên cứu đã chứng minh sự di chuyển được kiểm soát và phân phối tải trọng 'hàng hóa' được nhúng trong MOFs. Các robot vi cơ dạng xoắn MOF này được gọi là MOFBOT, được đẩy bởi trùng roi vi khuẩn nhân tạo, có thể bơi và di chuyển theo 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 nghiên cứu cách MOFs có thể giúp giảm tiêu thụ năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí bằng cách thiết kế chúng để giữ một lượng lớn khí làm lạnh.

Mối liên kết mạnh mẽ của loại khí này - loại fluocarbon thân thiện với môi trường được gọi là R134 và nước - với MOFs hứa hẹn cho việc sử dụng chúng trong các hệ thống làm mát bằng chất hấp phụ có thể cung cấp năng lượng từ nhiệt thải.

Cấu trúc nano nhỏ của MOF và khả năng hấp thụ cao của nó sẽ dẫn đến việc hệ thống làm mát có thể được làm nhỏ hơn nhiều so với hiện nay, điều này làm cho chúng hiệu quả hơn và kinh tế hơn.

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) và ghim polyme bên trong MOF. Hỗn hợp cuối cùng được gọi là Fe-BTC/ PDA, có thể loại bỏ nhanh chóng và chọn lọc lượng kim loại nặng như chì và thủy ngân khỏi 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 đã chỉ ra rằng MOF có thể giảm nồng độ chì xuống 2 phần triệu chỉ trong vài giây, mức độ mà Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ và Tổ chức Y tế Thế giới xem là an toàn để uống.

Thu giữ chất thải hạt nhân

Tại các nhà máy điện hạt nhân và các bãi thải, một nguy cơ đặc biệt là các hợp chất iốt hữu cơ từ hydrocacbon và iốt. Bằng cách biến hóa 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 tạo ra bẫy MOF có khả năng hấp thụ cao đối với metyl iốtua - cao gấp ba lần so với chất hấp thụ công nghiệp đang được sử dụng.

Ngoài ra, những MOF mới này có ưu điểm là hấp thụ tốt ở nhiệt độ thấp hơn. Hơn nữa, chất hấp thụ MOF có thể tái chế nhiều lần mà không mất hiệu suất, không giống như các chất hấp thụ công nghiệp khác.

Vắc xin MOF

Vắc xin MOF sử dụng khung polyme tương hợp sinh học để 'đóng băng' các protein bên trong vắc xin. Sau đó, các protein sẽ được giải phóng khi tiêm vào cơ thể con người. Điều này giúp vận chuyển và quản lý vắc xin dễ dàng hơn và có thể mang chúng đến những vùng sâu vùng xa mà không cần đến nguồn điện ổn định.

Vắc xin MOF là tinh thể chứa kháng nguyên giống như protein trên bề mặt của vi rút cúm, nhưng chúng được 'đóng băng' bên trong tinh thể nên không thể bị biến tính hoặc thay đổi hình dạng.

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. Cấu trúc xốp của MOFs tạo ra 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

Kết hợp MOFs với thiết bị điện tử linh hoạt cho phép phát hiện điện hóa các chất dinh dưỡng mà không cần sử dụng enzym. Cảm biến MOF có thể phát hiện dấu vết của axit ascorbic, L-Tryptophan, glycine và glucose, tất cả đều là những chất dinh dưỡng quan trọng liên quan đến quá trình trao đổi chất và tuần hoàn.

Các cảm biến này có thể được cấy ghép và do MOFs rất ổn định, nên ứng dụng này có thể được sử dụng để giám sát lâu dài các phân tử sinh học tại nhiều vị trí khác nhau.

Thiết bị này có thể dùng để hiểu rõ hơn về các quy trình sống khác nhau và theo dõi các phân tử sinh học ở nhiều vị trí khác nhau trong cơ thể. Khi tích hợp với các chức năng kích thích và đo lường, nó có thể kiểm soát hành vi của động vật, tiết lộ cơ chế cơ bản của các quy trình sinh học, và giám sát sức khỏe cũng như điều trị bệnh.

Khung cơ kim còn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như lưu trữ hydro, điện phân, chất bán dẫn, khử muối/tách ion, giữ hơi nước và hút ẩm...