Vật liệu khung cơ – kim (Metal organic frameworks - MOFs) là loại vật liệu cấu trúc nano được kết tinh từ kim loại và các hợp chất hữu cơ: gồm các ion hoặc cluster kim loại liên kết với nhau bởi các cầu nối hữu cơ như phosphonat, cacboxylate hoặc sulfonate, tạo thành một cấu trúc khung không gian ba chiều với những lỗ xốp có kích thước ổn định. Một trong các đặc điểm nổi bật của loại vật liệu này là bề mặt riêng cực lớn, tới hàng ngàn mét vuông cho 1g. Cùng với bề mặt riêng cực lớn, các vật liệu MOFs có độ xốp rất cao và do đó có khả năng lưu giữ tốt các khí.
I.4.2. Cấu trúc của MOFs
Về cơ bản cấu trúc của MOFs gồm 2 thành phần chính: cầu nối hữu cơ
và nguyên tử kim loại trung tâm. Các cầu nối hữu cơ được xem như là đơn vị
hữu cơ xây dựng thứ cấp (SBU), đóng vai trò như những “thanh chống” nối với những kim loại trung tâm được xem như là “Second Building Unit” vô cơ, đóng vai trò như “chốt nối” trong cấu trúc của MOFs. Hai thành phần này liên kết với nhau bởi các liên kết phối trí, cùng với các tương tác liên phân tử khác để hình thành mạng lưới có cấu trúc liên kết xác định.
Hình 1.7: Ví dụ về cầu nối hữu cơ
Các nguyên tử kim loại trung tâm thường là các cluster kim loại, như cacboxylat, azolat,... và đôi khi chỉ là các nguyên tử kim loại hay những cluster dạng hình que.
I.4.3. Ứng dụng của MOFs
Dự trữ năng lượng
MOFs loại vật liệu với độ xốp cao, có hình dạng và kích thước lỗ xốp thay đổi được và khả năng hấp phụ nhanh chóng của lỗ xốp trên bề mặt, là
một ứng cử viên trong những vật liệu lưu trữ khí hidro và metan. Với diện tích bề măt riêng lớn làm gia tăng đáng kể khả năng lưu trữ khí và cơ chế hấp phụ và giải hấp thuận nghịch giúp khí hidro và metan dễ dàng được giải
phóng ra khỏi vật liệu khi cần sử dụng.
Phân tách chất
Do có các nhóm chức trên khung sườn và sự đa dạng về kích thước lỗ xốp mà có loại vật liệu có khả năng hấp phụ chọn lọc cao hỗn hợp các khí.
Xúc tác
Chức năng này được ứng dụng nhiều trong sản xuất dược phẩm. Ngoài ra, nhờ kích cỡ lỗ xốp và cấu trúc có thể biến tính theo yêu cầu, vật liệu MOFs có khả năng như một chất phân phối thuốc có thể kiểm soát tốc độ
phân phối như mong muốn. Sử dụng vật liệu MOFs trong ngành dược giúp tăng hiệu quả thuốc và giảm thiểu tác dụng phụ của dược phẩm.
Cảm biến
Khả năng phát quang cùng với tính chất hấp phụ chọn lọc giúp vật liệu MOFs có tiềm năng ứng dụng như một thiết bị cảm biến.
I.4.4. Giới thiệu về MIL-88B
MIL-88 là một họ các vật liệu khung kim loại-hữu cơ với cấu trúc ba chiều, với các hốc và các kênh đã được phát triển, tạo ra một cấu trúc linh hoạt có thể dễ dàng thay đổi hình dạng. Các yếu tố tác động bên ngoài như áp suất, nhiệt độ, ánh sáng, hoặc ảnh hưởng của các chất khí và các dung môi có
thể gây ra sự mở hoặc đóng lại của cấu trúc. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một sự dãn nở có tính chất thuận nghịch lớn về thể tích của các các chất rắn, từ 85% lên đến 230%, một hiện tượng chưa từng thấy trước đây đối với các vật liệu khác. Sự “hít-thở” thuận nghịch này có chức năng tương tự như phổi của con người ngoại trừ khả năng dãn nở của phổi bình thường chỉ ~ 40%.
Hình 1.9: MIL-88.
Khả năng căng phồng này đạt được bằng cách nhúng vật liệu MIL-88 này vào các dung môi, các dung môi này sẽ đi vào các hốc và các khung cấu trúc mới mà không làm phá vỡ các liên kết. Các tinh thể của vật liệu vẫn được duy trong suốt quá trình.
Quá trình căng phồng có thể đảo ngược bằng cách nung nóng mẫu đã bị
solvat hóa để khôi phục lại trạng thái khô bình thường ban đầu. Trạng thái
“khô” này với các lỗ mao quản đã khép kín làm cho các phân tử ngoại lai hầu như không thể tiếp cận vào các hốc mao quản, trong khi ở dạng hydrat hóa cho hấp phụ chọn lọc đáng kể các chất khí phân cực và không phân cực [12]