Когда Омар Яги рос в Иордании, его деревня получала воду только около 5 часов один раз в 2 недели. И если Яги не успевал к рассвету включить краны для наполнения резервуаров водой, его семья, хозяйство и сад должны были как-то обходиться без неё.
Как передает сайт ScienceMag.org, Омар Яги, химик из Калифорнийского университета в Беркли, и его коллеги создали устройство на солнечной энергии, которое могло бы обеспечить водой миллионы людей в вододефицитных регионах. В основе изобретения лежит использование пористого кристаллического материала, известного как металлоорганический каркас (metal-organic framework – MOF), который действует как губка: он вбирает водяной пар из воздуха даже в пустыне, а затем выпускает его в виде жидкой воды.
«Это фантастическая работа, которая решает актуальную проблему»
Так говорит Хорхе Андрес Родригес Наварро, химик по MOF из Университета Гранады в Испании.
Это только один пример того, как MOF, наконец, вступает в расцвет. Яги и его коллеги синтезировали первый MOF в 1995 году, и с тех пор химики создали десятки тысяч подобных структур. Каждый из них состоит из атомов металла, которые действуют как концентраторы, соединенные в пористую сеть органическими соединениями (линкерами), предназначенными для удержания концентраторов и создания отверстий для размещения молекулярных «гостей» (воды, например). Смешивая и компонуя металлы и линкеры, исследователи обнаружили, что они могут адаптировать поры для захвата молекул газа, таких как водяной пар и диоксид углерода.
«Мы можем бесконечно искать модификации и точно знать, где находится каждый атом. Но поскольку многие из ранних MOF были дорогостоящими и быстро деградировали, они не оправдали первоначальных надежд», – говорит Аманда Моррис, исследователь MOF из Политехнического института Вирджинии и Государственного университета в Блэксбурге.
В последние годы Яги и другие производители MOF разработали широкий набор правил проектирования, чтобы сделать MOF более надежными. Например, более заряженные металлы создают более прочные связи, которые выдерживают нагрев. Это открыло такие функции, как размещение катализаторов, которые обычно работают быстрее при высоких температурах. Другое повышение стабильности произошло, когда исследователи научились адаптировать архитектуру для защиты менее стабильных связей в MOF от химических реакций с захваченными молекулами.
В результате подобный научных достижений, спрос на MOF начинает увеличиваться. В одном из недавних рыночных отчетов прогнозировалось, что продажи MOF для установок хранения и обнаружения газов, вырастут до 410 миллионов долларов в год в течение следующих 5 лет, по сравнению с 70 миллионами долларов в 2019 году.
«Десять лет назад MOF показали многообещающие возможности для ряда промышленных применений», – говорит Омар Фарха, химик MOF в Северо-западном университете в Эванстоне, штат Иллинойс. «Теперь это обещание стало реальностью».
Одной из технологий является установка Яги, которая, как он надеется, поможет обеспечить питьевой водой примерно одну треть населения мира, проживающего в регионах с дефицитом воды. Яги и его коллеги впервые разработали собирающий и выпускающий воду MOF на основе циркония в 2014 году. Но по цене 160 долларов за килограмм цирконий слишком дорог для массового использования. Так, в прошлом году его команда разработала альтернативу MOF-303 на основе алюминия, которая стоит всего 3 доллара за килограмм. В пустыне Аризоны Яги и его команда поместили свои MOF-303 в небольшой прозрачный пластиковый контейнер. Ночью они держали его открытым для проникновения свежего воздуха, что позволяло установке поглощать из него водяной пар. Затем ученые закрыли контейнер и подвергли MOF воздействию солнечного света, который вытеснил из него жидкую воду. «Урожай» составлял всего 0,2 литра на килограмм MOF в день.
На августовском совещании Американского химического общества и в выпуске ACS Central Science от 27 августа Яги сообщил, что его команда разработала новый и гораздо более производительный «комбайн» для воды. Используя способность MOF-303 заполнять и опорожнять поры всего за несколько минут, команда может ежедневно совершать десятки циклов. При поддержке солнечной панели для питания вентилятора и нагревателя, которые ускоряют циклы, устройство производит до 1,3 литра воды на килограмм MOF в день из воздуха пустыни.
Сегодня Яги работает над совершенствованием технологии, чтобы увеличить это количество до 8-10 литров в день. В прошлом году он основал компанию Water Harvesting, которая этой осенью планирует выпустить микроволновое устройство, способное производить до 8 литров в день. В 2020 году компания обещает представить более масштабную версию, которая будет производить 22500 литров в день, что достаточно для снабжения небольшой деревни.
Также существуют установки на основе MOF, для решения других задач. В выпуске ACS Applied Nano Materials от 25 января Фарха и его коллеги сообщили об использовании MOF для детоксикации химического оружия. Такой MOF сделан на основе лантана, связанного кольцевыми органическими соединениями. Ранее было показано, что соединения, называемые порфиринами, способны поглощать свет и использовать эту энергию для преобразования молекул кислорода в воздухе в реакционную форму, известную как синглетный кислород. В исследовании синглетный кислород мог разрушить молекулы лабораторно безопасного молекулярного «родственника» горчичного газа как внутри, так и снаружи пор. На состоявшемся совещании Американского химического общества, северо-западный коллега Фархи, Джозеф Хапп, сообщил, что он и его команда расширили эту идею серией MOF на основе циркония, гафния и церия, способных детоксифицировать нервные агенты, такие как зариновый газ. Хапп говорит, что тонкое покрытие MOF на противогазах и униформе может помочь защитить солдат от воздействия химического оружия.
Фарха и другие также инкапсулировали ферменты внутри MOF, защищая хрупкие молекулы от неблагоприятных условий окружающей среды и позволяя им проводить промышленные реакции вне клеток. В одном примере команда Фархи сообщила (выпуск Angewandte Chemie от 26 марта), что фермент в клетке MOF, называемый формиатдегидрогеназой, может превращать CO2 в муравьиную кислоту (распространённый промышленный химикат) более чем в три раза быстрее, чем фермент в клетке, и при более экологически безопасных условиях, чем при её промышленном производстве.
На встрече, Томас Рейдер, аспирант Бостонского колледжа, сообщил, что также развивает подобные идеи. Он заключил пару ферментоподобных катализаторов в MOF на основе циркония, чтобы провести серию реакций, превращающих газообразный CO2 в метанол – жидкое топливо.
Рейдер обнаружил, что когда ферменты не были защищены мофами, два катализатора не производили метанол, потому что они быстро дезактивировались, вероятно, в результате реакции друг с другом. Но, будучи безопасно укрытыми в MOF, они могли производить метанол при температурах и давлениях, намного ниже тех, которые используются на существующих заводах по производству метанола, предлагая потенциально более дешевый и более экологичный способ производства биотоплива.
Рейдеру и другим ученым по-прежнему необходимо показать, что эти и другие MOF могут быть изготовлены дешево и в больших масштабах. Каждый потенциальный коммерческий MOF должен проявить себя стабильно, эффективно и продолжительно. И если MOF смогут пройти эти испытания, они предложат фундаментальную основу для решения некоторых наиболее острых проблем в мире.
