Όταν οι περισσότεροι συνθετικοί χημικοί προσπαθούν να ενώσουν μόρια σχηματίζοντας έναν δεσμό κάθε φορά, κάποιοι απλώς βρίσκουν τις κατάλληλες συνθήκες για να δημιουργήσουν ένα ολόκληρο πλέγμα μορίων.

Μπορεί η παραπάνω άποψη να μην αντιπροσωπεύει κάτι το εντελώς καινούργιο (μην ξεχνάτε τις αντιδράσεις πολυμερισμού που μας δίνουν τα πλαστικά), όμως κρύβει μια σημαντικότατη καινοτομία: τα προϊόντα των αντιδράσεων αυτών έχουν συγκεκριμένη τοπολογία, δίνοντάς μας πορώδη υλικά στην κλίμακα του νανόμετρου (nanomaterials). Αλλά ας πάρουμε τα γεγονότα με την σειρά.

Στα τέλη της δεκαετίας του ’90, ο Omar Yaghi πρώτος χρησιμοποίησε την μέθοδο αυτή για να δημιουργήσουν μία οικογένεια σταθερών πορωδών κρυσταλλικών υλικών γνωστά ως Μέταλλο-Οργανικά Πλέγματα (Metal-Organic Frameworks ή MOFs). Ο χαρακτηρισμός που τους δόθηκε ως «σφηνοτουβλάκια» (διαλέχτε εσείς, LEGO ή Playmobil, αναλόγως με ποια παίζατε στα παιδικά σας χρόνια) είναι απολύτως εύστοχος! Σκεφτείτε σύμπλοκα μετάλλων τα οποία ενώνονται μεταξύ με τους πιο απίθανους τρόπους με οργανικά μόρια, σχηματίζοντας μονοδιάστατες, δυσδιάστατες αλλά και τρισδιάστατες δομές. Οι δομές αυτές, λόγω των πολλαπλών θέσεων που μπορούν να καταλάβουν τα οργανικά μόρια πάνω στο μεταλλικό κέντρο, είναι ποικίλες, με αποτέλεσμα να μπορούμε να «παίξουμε» στο εργαστήριο είτε αλλάζοντας το οργανικό είτε το μεταλλικό κομμάτι.

Αλλά τα πράγματα δεν είναι (ποτέ) όσο απλά όσο ακούγονται… Το παραπάνω πλέγμα σχηματίζεται μέσα σε διάλυμα, και οι πόροι του καταλαμβάνονται από μόρια διαλύτη. Όταν λοιπόν προσπαθούμε να αφαιρέσουμε τον διαλύτη από το στερεό μας, τότε υπάρχει μεγάλος κίνδυνος ο σκελετός να καταρρεύσει και το κρυσταλλικό υλικό να γίνει άμορφο. Επίσης, δεν είχε επιτευχθεί να κατασκευαστεί υλικό με μεγάλη διάμετρο πόρου. Την λύση σε αυτά τα δύο προβλήματα την έδωσε ο Yaghi και οι συνεργάτες του στα τέλη των ‘90s. Τι έκαναν αυτοί οι ερευνητές; Αύξησαν την ισχύ του πλέγματος με το να επιλέξουν αρχικές ενώσεις οι οποίες συναρμολογούν ένα δίκτυο σταθερών συμπλόκων και κελιών. Κι από τότε, ένα νέο πεδίο της ανόργανης, κατά κύριο λόγο, χημείας άνοιγε τα φτερά του.

Οι εντυπωσιακές γεωμετρίες, οι μεγάλοι πόροι και κατ’ επέκταση η μεγάλη επιφάνεια των υλικών αυτών τα καθιστούν αντικαταστάτες των φυσικών και συνθετικών ζεολίθων. Αυτό σημαίνει πως έχουν την δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως μέσα αποθήκευσης αερίων, ως καταλύτες και ως μοριακοί ανιχνευτές. Ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί σε αυτά τα υβριδικά πλέγματα ως υποψήφια μέσα αποθήκευσης και μεταφοράς αέριου υδρογόνου, κάτι που θα οδηγήσει την ανθρωπότητα σε χρησιμοποίηση καθαρών, «πράσινων» καυσίμων. Επίσης, έχουν προταθεί και για παρασκευή μεμβρανών ικανών να διαχωρίζουν και να αποθηκεύουν διοξείδιο του άνθρακα από τα αέρια απόβλητα βιομηχανικών διεργασιών.

Οι ιδιότητες αυτές επηρεάζονται άμεσα από την στοιχειομετρία των πλεγμάτων. Αυτό σημαίνει πως μεταβάλλοντας είτε το μεταλλικό, είτε το οργανικό κομμάτι των υλικών, μπορούμε να επιτύχουμε καλύτερα αποτελέσματα ως προς την επιθυμητή ιδιότητα. Το γεγονός αυτό μας επιτρέπει να συνθέτουμε νέα υλικά που να εξειδικεύονται στις δικές μας ανάγκες.

Το πιο διάσημο ίσως μέταλλο-οργανικό πλέγμα είναι το MOF-5 (εικόνα). Το μεταλλικό του κομμάτι αποτελείται από τετραεδρικά σύμπλοκα του ψευδαργύρου (μπλε πυραμίδες) ενωμένα με το οργανικό μέρος (τερεφθαλικό οξύ), σχηματίζοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο το σκελετό του πλέγματος. Ως κίτρινη σφαίρα αναπαριστούμε τον πόρο του υλικού. Ανάμεσα στις εκπληκτικές ιδιότητες του MOF-5, ξεχωρίζει η μεγάλη επιφάνειά του (2900 τετραγωνικά μέτρα ανά γραμμάριο!) και η μικρή του πυκνότητα (0.59g cm-3). Μετά την επιτυχία που γνώρισε το MOF-5, παρασκευάστηκε ολόκληρη οικογένεια νέων υλικών χρησιμοποιώντας απλώς διαφορετικό οργανικό ή μεταλλικό κομμάτι. Ιδιαίτερη αναφορά πρέπει να γίνει στο MOF-177, το οποίο έχει επιφάνεια 4500 τετραγωνικά μέτρα ανά γραμμάριο! Αυτό αποτελείται επίσης από οξείδια του ψευδαργύρου, ενωμένα αυτή τη φορά με οργανική ένωση που περιέχει τέσσερα βενζόλια, σχηματίζοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο υλικό με μεγαλύτερη επιφάνεια. Άλλη «διάσημη» οικογένεια υβριδικών υλικών είναι η οικογένεια των MIL (Materials of Institute Lavoisier), από τα οποία έχουν ξεχωρίσει τα MIL-53 και MIL-101. Συγκεκριμένα, το MIL-101 αποτελείται από σύμπλοκα χρωμίου και τερεφθαλικό οξύ, ενώ η επιφάνειά του έχει υπολογισθεί ότι μπορεί να φτάσει ως και 5900 τετραγωνικά μέτρα ανά γραμμάριο!

50 χρόνια πριν, ο Richard Feynman είχε αναρωτηθεί ως προς το πώς θα ήταν οι ιδιότητες των υλικών, αν θα μπορούσαμε να διευθετήσουμε τα άτομα όπως εμείς θα θέλαμε. Η εποχή αυτή έχει πλέον φτάσει, αφού πλέον μπορούμε να σχεδιάζουμε νέα υλικά ανάλογα με τις απαιτήσεις μας. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν όλα τα παραπάνω, αναμένουμε τα επόμενα χρόνια έκρηξη της επιστήμης των MOFs, τόσο σε επίπεδο βασικής έρευνας, όσο και σε επίπεδο βιομηχανικών εφαρμογών. Ήδη τα πρώτα αποτελέσματα είναι άκρως ενθαρρυντικά και ευελπιστούμε σε αντίστοιχη συνέχεια, δεδομένου ότι μπορούν να προσφέρουν λύσεις σε μείζονα προβλήματα της εποχής μας.

Συγγραφή και επιμέλεια : Βογιατζής Κωνσταντίνος

Βιβλιογραφία

1. Service, R. F. Framework Materials Grab CO2 and Researchers’ Attention. Science 2008, 319, 893.
2. Li, H., Eddaoudi, M., O’Keeffe, M., Yaghi, O. M. Design and Synthesis of an Exceptionally Stable and Highly Porous Metal-Organic Framework. Nature 1999, 402, 276.
3. Chae H. K., Siberio-Perez, D. Y., Kim, J., Go, Y., Eddaoudi, M., Matzger, A. J., O’Keeffe, M., Yaghi, O. M. A Route to High Surface Area, Porosity and Inclusion of Large Molecules in Crystals. Nature 2004, 427, 523.
4. Ferey, G., Mellot-Draznieks, C., Serre, C., Millange, F., Dutour, J., Surble, S., Margiolaki, I. A Chromium Terephthalate-Based Solid with Unusually Large Pore Volumes and Surface Area. Science 2005, 309, 2040.