Supermaterialene som gir unik beskyttelse mot farlige stoff

• Materialene blir beskrevet i den ferske utgaven av det populærvitenskapelige tidsskriftet Naturen 06/20.

I artikkelen skrevet av forskere ved Universitetet i Bergen og Forsvarets forskningsinstiutt (FFI), kommer det fram at aktivt kull har begrensninger i forhold til å beskytte mennesker mot farlige stoff:

Aktivt kull brukes i dag til å fjerne farlige kjemiske forbindelser. Dette er mulig takket være porøsiteten til materialet. Aktivt kull har et enormt nettverk av utallige små åpninger og hulrom hvor gassmolekyler kan feste seg til overflaten, blant annet gjennom van der Waals krefter. Dette fenomenet kalles for adsorpsjon.

Dessverre finnes det enkelte lettflyktige kjemikalier (gasser eller kjemikalier med lavt kokepunkt) som kun i liten grad adsorberes på aktivt kull, og kulloverflaten må derfor gjerne modifiseres, for eksempel med impregnering av metallsalter. Enhver klasse av kjemikalier som aktivt kull skal beskytte mot, krever sitt eget, spesifikke impregneringsmiddel. Det betyr at dersom et filter skal gi god beskyttelse mot en rekke forskjellige farlige kjemikaler, trengs det flere typer modifisert aktivt kull i samme filterenhet.

Filterenheten kan dermed bli stor og tung og medføre økt fysisk belastning for brukeren, eller tiden filterenheten kan brukes for å beskytte brukeren mot fare, kan bli betydelig kortere. I tillegg kan impregneringen delvis blokkere porene, noe som fører til at overflatearealet blir mindre og at adsorpsjonskapasiteten reduseres. Over tid vil også impregneringen miste effekten sin på grunn av reaksjoner med luft og fuktighet.

Med andre ord: 

Det er behov for å utvikle nye materialer som har bedre egenskaper for anvendelse i filtreringssystemer, og som dermed kan erstatte aktivt kull.

Og det er altså her MOF-ene kommer inn i bildet.

MOF-er består av organiske og uorganiske byggeklosser som er knyttet sammen i et høyst periodisk mønster, og som leder til en tre-dimensjonal struktur.

De organiske byggeklossene i MOF-ene består vanligvis av funksjonaliserte, aromatiske molekyler som kalles for ligander (fra latin; binding, og defineres som et molekyl som bindes til et sentralatom). Disse ligandene er karbonbaserte, og ligner dermed kjemisk på det som finnes i aktivt kull. MOF-ens uorganiske byggeklosser er basert på isolerte metall-ioner eller større strukturelle enheter med flere metall-ioner.

Siden vi kan velge fritt blant utallige organiske ligander med ulike kjemiske egenskaper og mange forskjellige metallioner, har vi (nesten) uendelig mange kombinasjonsmuligheter.

Denne fleksibiliteten kan benyttes til å designe MOF-er med helt spesielle egenskaper, funksjonaliteter og bestemte porestørrelser.

Hver av disse MOF-ene kan være nyttige for ulike bruksområder, noe som gjør at MOF-er kan benyttes til veldig mye forskjellig; blant annet lagring og separasjon av gasser, katalytiske prosesser, energisystemer (batterier og solceller), sensorer og kontrollert levering av legemidler i kroppen.

Resten av artikkelen og annet godt populærvitenskapelig stoff finner du i Naturen på Idunn

(krever innlogging, men som student eller ansatt har du normalt gratis tilgang).

Photo:

UiB/Naturen