Nyskapande forskning om MOF öppnar för framtida lösningar

Det är viktigt att vi får fram olika typer av MOF:ar som kan fylla olika behov, säger Xiaodong Zou professor på Kemikum vid Stockholms universitet.

– Vissa måste tåla väldigt svåra miljöer, andra behöver tåla höga temperaturer eller att fungera i vatten. En del ska hålla en livstid, medan andra behöver vara flexibla och sönderfaller efter att de fyllt sin funktion, till exempel att fånga cancerceller inne i kroppen, fortsätter hon.

Visualisering på molekylnivå

Det var Xiaodong Zou som tog forskningen om MOF till Stockholms universitet för tjugo år sedan och sedan dess har mycket hänt. Nu finns det sex forskargrupper som fokuserar på MOF vid Stockholms universitet och i labben på Kemikum pågår ständig aktivitet. En MOF är en kombination av ett organiskt och ett metalliskt material som kan framställas i ett labb genom att metalljoner och organiska molekyler sätts ihop till ett material fullt av nanoporer. Med hjälp av ett elektronmikroskop, som förstorar upp kornen till hanterligt format, går det sedan att få en uppfattning om vilken potential en nyskapad MOF har.

– Kristallerna i MOF:ar är så små att det är svårt att se deras struktur med vanlig röntgen. Därför insåg jag tidigt att min styrka är att utveckla metoder för att studera dem med hjälp av elektrondiffraktion istället, säger Xiaodong Zou.

Rening med MOF-teknik

Målet med forskningen om MOF är att hitta funktionalitet i strukturen, det vill säga användbara saker som olika typer av MOF:ar kan göra. 2023 resulterade forskningen vid Stockholms universitet i en MOF som kan rena avloppsvatten från läkemedelsrester. Giftiga molekyler i vattnet kan sugas upp av MOF:en, och på så sätt rensas bort.

– Vi hittade en kombination av granatäpple och metallen zirkonium. Genom att MOF:en också är elektroniskt laddad får den ännu högra kapacitet när det gäller att dra till sig avfall i miljön, säger Ken Inge, forskningsledare för en av de fem grupperna.

Oväntad inspiration

Ken Inge och hans forskarteam håller hela tiden utkik efter material som skulle kunna fungera för att skapa MOF:ar. På hyllorna i hans kontor finns påsar med organiska material, ämnen han hittat på nätet eller i hälsokostaffärer.

– Det är viktigt att leta efter lösningar som inte redan finns och att hålla kreativiteten levande. Om vi hela tiden följer efter andra kommer vi aldrig att kunna ta de avgörande steg vi vill i den riktning vi vill inom forskningen. Om vi däremot hittar inspiration utanför det vi har omkring oss kan forskningen gå i sin egen unika riktning, fortsätter han.

Tillsammans med forskarkollegan Tom Willhammar, som också leder en av de fem forskargrupperna, pågår en ständig dialog om vad en ny MOF skulle kunna användas till. Alla i forskargruppenrna är fria att testa sina idéer.

– Ibland leder det till nya upptäckter. Om vi ser att här finns något nytt låter vi den idén utvecklas. Jag tror att det är väldigt viktigt för kreativiteten att man fritt får utforska saker och testa sina idéer, säger Tom Willhammar.

Ersätter miljöförstörande gas

Men alla MOF:ar är inte lika porösa. Hanna Boström, biträdande universitetslektor i oorganisk kemi, jobbar istället med molekyler som ger kort avstånd mellan metallerna i ramverket och därmed mindre hålrum.

– Ett kortare avstånd mellan metallerna gör att de interagerar mer med varandra. Då får man en effekt som kallas för spinnväxling, säger Hanna Boström.

Material skapat av sådana MOF:ar kan användas som sensorer, bland annat för att upptäcka förändringar i tryck eller temperatur, eller för att varna för kemikalieutsläpp i vattnet eller luften. En annan möjlig användning är inom kyl- och värmesystem.

– De skulle kunna användas i vanliga kylskåp eller i kyl- och värmepumpar för att ersätta miljöförstörande gaser som skadar ozonlagret, säger Hanna Boström.

Viktigt med säkerhet

För MOF:ar som ersätter gas är det säkerhet som är den stora utmaningen. Materialet får inte fatta eld eller läcka ut.

– Om man då använder ett fast material gjort av MOF:ar istället för gas, till exempel ett pulver eller pellets, är det mer säkert och miljövänligt, säger Hanna Boström.

Skyndar på processen

I korridoren bredvid finns Belén Martín-Matute. Hon anställdes vid Stockholms universitet för tjugo år sedan, en internationell topprekrytering för att studera MOF:ar som katalysatorer inom organisk syntes, det vill säga för att skynda på kemiska processer. Katalys kan också sätta igång kemiska processer som inte går att få igång på naturlig väg och styra kemiska processer för att skapa exakt det som behövs, till exempel för att få fram ett speciellt läkemedel.

– Det är det som är det fantastiska med MOF, att vi kan finkalibrera dem för att skapa exakt den MOF som behövs för ett speciellt ändamål. Och att vi har den kemiska kunskap som krävs för att göra det. Det gör möjligheterna för MOF:ar oändliga, säger Belén Martín-Matute.

Kemiska utmaningar

För att stärka forskningen inom området MOF:ar som katalysatorer anställde Stockholms universitet för två år sedan Miguel Rivero Crespo. Han är biträdande lektor i organisk kemi och jobbar i gränslandet mellan organisk kemi, hållbar kemi och materialvetenskap. Tillsammans med sitt forskarteam söker han efter nya material som genom katalys kan lösa svåra kemiska utmaningar. Till exempel genom att hitta MOF:ar som har flera funktioner.

– Då skulle de kunna samarbeta på ett ännu mer effektivt sätt än vanliga MOF:ar för att ge sig på utmaningar som är riktigt svåra, säger Miguel Rivero Crespo.

Från rest till resurs

En aktuell utmaning är bristen på de material som behövs för produkter som är nödvändiga för mänskligheten, som läkemedel eller bekämpningsmedel till jordbruket. En lösning på det skulle kunna vara att omvandla material som är lätta att få tag på överallt till något som kan användas som ersättning. Forskargruppen publicerade nyligen sin första vetenskapliga text, om att skapa oxidation med hjälp av vanligt syre istället för med giftiga kemikalier. Oxidation är en kemisk process som bland annat används för att framställa metaller och kemiska föreningar. Med hjälp av rätt MOF kan hela processen bli både snabb och miljövänlig. Forskargruppen jobbar också med att omvandla biomassa från naturen till ämnen som är svåra att få tag på inom industrin.

– Vi jobbar för att material och ämnen som finns tillgängliga överallt eller som till och med ses som skräp ska kunna bli till något användbart. Inom kemin behövs ofta högreaktiva ämnen som ädelmetaller, som är både dyra och svåra att få tag i, men genom katalys med MOF:ar kan vanligt syre, plastavfall eller biomassa från naturen omvandlas till värdefulla resurser, säger Miguel Rivero Crespo.

Nya utmaningar

Och medan forskning pågår i labben på Kemikum söker teamen nya vägar framåt, ständigt på jakt efter metoder som öppnar för fler banbrytande steg.

– Vi kommer att fortsätta att designa och upptäcka nya MOF-katalysatorer, som kan möta nya utmaningar inom organisk syntes. Närmast kommer vi bland annat att använda maskininlärning i de nya lokalerna på CircuLab vid Stockholms universitet, säger Belén Martín-Matute.

– Jag vill bland annat utveckla nya metoder som med hjälp av elektrondiffraktion kan analysera material snabbare. Att identifiera användbara MOF:ar är som att hitta en nål i en höstack och tar ofta lång tid, men med våra metoder kan vi fånga dem, säger Xiaodong Zou.

Se en kort film om MOF med Tom Willhammar och Ken Inge.