Att kunna utvinna dricksvatten från ökenluft kan låta som en framtidsutopi, men faktum är att den inte behöver ligga så långt bort. Lösningen kan finnas i en ny materialklass med exceptionella egenskaper som allt flera talar om – Metallorganiska ramverk (MOF). På Chalmers finns forskare med ledande expertis på området.
Metallorganiska ramverk (MOF för ”Metal-Organic Framework”) dök upp på 1990-talet och idag har kemister framställt runt 80 000 MOF:ar med olika egenskaper, en unikt snabb utveckling. På Chalmers har en grupp forskare med professor Lars Öhrström och doktor Francoise Amombo Noa vid institutionen för kemi och kemiteknik i spetsen, studerat området i många år och de efterfrågas allt oftare internationellt för sin expertis.
– Metallorganiska ramverk, är ett av våra mest lovande utvecklingsområden för många av de hållbara tekniska lösningar som världen har stort behov av. Men det handlar om mer än tillämpning. Det är en fundamental revolution i hur vi ser på det fasta tillståndet säger Lars Öhrström.
Fångar upp och separera olika ämnen effektivt
En MOF är ett fast, poröst ämne uppbyggt av metalljoner som länkas ihop med organiska molekyler till ett nätverk – som en molekylär variant på modellbyggsatsen mekano. Nätverken har stora inre hålrum där kan man stoppa in och ta ut saker, vilket ger dem mycket goda egenskaper att effektivt fånga upp eller separera olika ämnen.
Forskare ser stor potential för användningen av MOF:ar inom många olika angelägna områden, som till exempel lagring av biogas, koldioxidinfångning, kontrollerad leverans av läkemedel – så kallad drug delivery - och för att förstöra kemiska vapen. På senare tid har viss kommersiell användning börjat dyka upp, för att lagra giftiga gaser som används i elektronikindustrin och i form av så kallade kristallsvampar för forskningsapplikationer i läkemedelsindustrin.
Stort framsteg för tekniken i ny studie
Ett aktuellt område där MOF:ar kan bidra till en revolutionerande utveckling är utvinning av vatten ur ökenluft. I det här sammanhanget fungerar de som en svamp som vattnet lätt kan slinka in i för att sen lagras i materialens hålrum och ytor. Problemet som forskarna brottats med är att det krävs mycket energi i form av värme för att släppa ut vattnet. Men nu har amerikanska och tyska forskare lyckats få en MOF att släppa ut vattnet vid 10 grader lägre temperatur än tidigare och kunnat visa i detalj hur vattenmolekylerna samlas in. Studien, innebär ett stort framsteg inom fältet och publicerades nyligen i tidskriften Science. Lars Öhrström bjöds in att tillsammans med kollegan Francoise Amombo Noa, doktor på institutionen för kemi och kemiteknik, som experter kommentera studien i en artikel, som publicerades i samma nummer av Science.
– Än så länge finns tekniken bara på pilotnivå men fullt utvecklad skulle den kunna göra det möjligt att utvinna dricksvatten i ökenområden. De vidare konsekvenserna som det här kan få är dessutom större än så. Teknik som gör att vi kan använda vattnets fasomvandlingar från gas till vätska är viktigt i allt från avsaltning av havsvatten till att kontrollera inomhusmiljön i byggnader, säger Lars Öhrström.
I ett nystartat projekt kommer forskargruppen tillsammans med kollegor på Sveriges Lantbruksuniversitet, SLU, att utveckla MOF:ar för att rena vatten från miljöskadliga högfluorerade ämnen, PFAS.
Chalmersforskarna bidrar också till en bredare kunskapsspridning om metallorganiska nätverk. På uppdrag av det amerikanska kemisamfundet ACS har Lars Öhrström och Francoise Amombo Noa skrivit en lärobok riktad till mastersstudenter och doktorander som gavs ut tidigare i år.
En annan grupp som skulle kunna ha stor nytta av den kunskapen, är forskare som arbetar mer tillämpat inom områden där man ser stor potential för MOF:ar, som till exempel samhällsbyggnad och bioteknik.
Innan MOF:arna kan användas i stor skala, behöver forskarna ta sig an utmaningen att de anses instabila. Därför gjorde gruppen på Chalmers, i samarbete med kollegor på Göteborgs universitet, Uppsala universitet, Syddanskt universitet i Danmark och företaget Rigaku i Tyskland, en studie på hur nätverkens konstruktion påverkar egenskaperna, då de också upptäckte och presenterade MOF:ar där metalljonnätverken är i skiktform. I somras publicerade de sina resultat i en artikel i den vetenskapliga tidskriften Chem.
– Vi föreslår en ny strategi till mer stabila MOF:ar och hoppas att studien ska bidra med ett välbehövligt framsteg i MOF:arnas evolution säger Francoise Amombo Noa.
I studien föreslår forskarna också ett nytt förhållningssätt och en gemensam nomenklatur inom fältet.
– Hur vi beskriver, namnger och pratar om de här materialen påverkar hur vi tänker på dem och därmed våra möjligheter att använda MOF:ar i verkliga tillämpningar, tillägger Lars Öhrström.
Kontakt:
Lars Öhrström, Professor, Institutionens för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola
Läs mer: vetenskapliga artiklar som nämns i texten
Science, Volume 374, Issue 6566 ”Evolution of water structures in metal-organic frameworks for improved atmospheric water harvesting”
Science Volume 374, Issue 6566 ”An improved water-harvesting cycle”
Chem Volume 7, Issue 9 ”A unified topology approach to dot-, rod-, and sheet-MOFs”