موضوع مقاله: چارچوب‌های فلز-آلی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # چارچوب‌های فلز-آلی | مقدمه: آنها یک زیر کلاس از پلیمر کوئوردیناسیونی هستند، با این ویژگی خاص که اغلب متخلخل هستند. | ## بخش 1: چارچوب‌های فلز-آلی | از لیگاندهای آلی موجود گاهی به عنوان «استراتس» یاد می‌شود که یک نمونه آن ۱٬۴-بنزن دی کربوکسیلیک اسید (BDC) است. چارچوب‌های فلزی-آلی با تجمع یون‌ها و خوشه‌های فلزی به‌عنوان مراکز کئوردیناسیونی و لیگاندهای آلی به‌عنوان اتصال‌دهنده این مراکز تشکیل می‌شوند. به‌طور رسمی، یک چارچوب فلزی - آلی یک شبکه کوردینه با لیگاندهای آلی حاوی حفره‌های بالقوه است. شبکه کوردینه یک ترکیب کوردینه است که از طریق تکرار نهادهای کوردینه در یک بعد گسترش می‌یابد، اما دارای اتصالات عرضی بین دو یا چند زنجیره جداگانه، حلقه‌ها یا پیوندهای اسپیرو یا یک ترکیب کوردینه است. در بعضی موارد، منافذ در طی از بین بردن مولکولهای مهمان پایدار هستند و می‌توانند با ترکیبات دیگر دوباره پر شوند. به دلیل این خاصیت، MOFها برای ذخیره گازهایی مانند هیدروژن و کربن دی‌اکسید مورد توجه هستند. از دیگر کاربردی MOFها به‌طور گسترده‌ای در ذخیره و جداسازی گازها و به عنوان مواد جامد در ابرخازنها مورد استفاده قرار می‌گیرند. سنتز و خصوصیات MOF تمرکز اصلی این رشته را شیمی شبکه تشکیل می‌دهد (از لاتین ، "شبکه کوچک"). ساختار چارچوب‌های فلزی-آلی ترکیباتی بلوری با چگالی پایین هستند که از دو جز اصلی تشکیل شده‌اند: یون فلزی یا خوشه ای از یون‌های فلزی به عنوان گره و یک مولکول آلی به نام پیوند دهنده به عنوان لیگاند. به عنوان مثال، اولویت کوئوردیناسیون فلز با تعیین تعداد لیگاندهایی که می‌توانند به فلز متصل شوند و در کدام جهت قرار می‌گیرند، بر اندازه و شکل منافذ تأثیر می‌گذارد. زیر واحدهای یک MOF، به نام واحدهای ساختمانی ثانویه (SBU)، با توپولوژی‌های مشترک در چندین سازه قابل توصیف است. به هر توپولوژی که net نیز گفته می‌شود، نمادی اختصاص داده می‌شود که از سه حرف کوچک به صورت درشت تشکیل شده است. به عنوان مثال می‌توان به بنزن -۱٬۴-دی کربوکسیلیک اسید (BDC یا ترفتالیک اسید، بیفنیل -۴٬۴'-دی کربوکسیلیک اسید (BPDC) و تری مسیک اسید اشاره کرد. بجز استفاده از لیگاندها از قبل، MOFها و زئولیت‌ها تقریباً منحصراً توسط تکنیک‌های هیدروترمال یا سولوترمال تولید می‌شوند، روشی که کریستال‌ها به آرامی در محلول داغ رشد می‌کنند. در مقابل با زئولیت‌ها، MOFها از لیگاندهای واسطه آلی ساخته می‌شوند که در طول سنتز دست نخورده باقی می‌مانند. در MOFها، چارچوب توسط SBU (واحد ساختمان ثانویه) و لیگاندهای آلی الگوبرداری می‌شود. یک روش الگوبرداری که برای MOFهای در نظر گرفته شده برای ذخیره گاز مفید است، استفاده از حلال‌های اتصال دهنده فلز مانند N , N- دی اتیل فرمامید و آب است. در این موارد، هنگام تخلیه حلال، مکانهای فلزی در معرض دید قرار می‌گیرند و اجازه می‌دهند هیدروژن در این مکانها متصل شود. سنتز توان بالا روشهای با توان بالا (HT) بخشی از شیمی ترکیبی و ابزاری برای افزایش کارایی است. در واقع، دو استراتژی مصنوعی در روش‌های HT وجود دارد: از یک طرف رویکرد ترکیبی، در اینجا همه واکنش‌ها در یک ظرف انجام می‌شود، که منجر به مخلوط محصول می‌شود و از سوی دیگر سنتز موازی، در اینجا واکنش‌ها در ظرفهای مختلف علاوه بر این، تمایز بین فیلم‌های نازک و روش‌های مبتنی بر حلال قرار داده شده است. سنتز سولوترمال را می‌توان به‌طور معمول در یک رآکتور تفلون در یک کوره همرفت یا در رآکتورهای شیشه ای در یک مایکروویو (سنتز مایکروویو با توان بالا) انجام داد. علاوه بر سنتز سولوترمال، پیشرفت‌هایی در استفاده از سیال فوق بحرانی به عنوان حلال در یک رآکتور جریان مداوم حاصل شده است. آب فوق بحرانی اولین بار در سال ۲۰۱۲ برای سنتز MOFهای مبتنی بر نیکل و مس در چند ثانیه استفاده شد. در سال ۲۰۲۰، دی‌اکسید کربن فوق بحرانی در یک رآکتور جریان پیوسته در مقیاس زمانی مشابه با روش مبتنی بر آب فوق بحرانی مورد استفاده قرار گرفت، اما نقطه بحرانی پایین دی‌اکسید کربن اجازه سنتز MOF UiO-66 مبتنی بر زیرکونیوم را داد. | ## بخش 2: چارچوب‌های فلز-آلی | سنتز سولوترمی با توان بالا در سنتز سولوترمی با توان بالا، از یک رآکتور سولوترمال با ۲۴ حفره برای رآکتورهای تفلون استفاده می‌شود. بلوک رآکتور یا درج رآکتور از فولاد ضدزنگ ساخته شده است و شامل ۲۴ محفظه واکنش است که در چهار ردیف مرتب شده‌اند. برای این منظور، رآکتورهای پر شده به پایین رآکتور وارد می‌شوند، رآکتورهای تفلون با دو فیلم تفلون مهر و موم می‌شوند و قسمت بالایی رآکتور قرار می‌گیرد. فیلم تفلون قابل استفاده مجدد در برابر فشار مکانیکی مقاومت می‌کند، در حالی که فیلم تفلون یکبار مصرف ظرف‌های واکنش را مهر و موم می‌کند. سپس بر روی کاغذ صافی، محصولات به‌صورت جداگانه در یک مجموعه به اصطلاح نمونه وجود دارند و متعاقباً می‌توان آنها را با پراش پودر اشعه ایکس خودکار مشخص کرد. اصلاح پست سنتز اگرچه ساختار سه بعدی و محیط داخلی منافذ از نظر تئوری می‌تواند از طریق انتخاب مناسب گره‌ها و گروه‌های پیوند دهنده آلی کنترل شود، اما سنتز مستقیم چنین موادی با ویژگی‌های مطلوب به دلیل حساسیت بالای سیستم‌های MOF دشوار است. حساسیت حرارتی و شیمیایی و همچنین واکنش پذیری بالای مواد واکنش، دستیابی به محصولات مورد نظر را به چالش می‌کشد. تبادل مولکولهای مهمان و ضد یونها و حذف حلالها امکان برخی از قابلیتهای اضافی را فراهم می‌کنند اما هنوز به قسمتهای انتگرال چارچوب محدود می‌شوند. تبادل پست سنتز پیوندهای آلی و یونهای فلزی منطقه ای در حال گسترش است و امکاناتی برای ساختارهای پیچیده‌تر، افزایش عملکرد و کنترل بیشتر سیستم را فراهم می‌کند. تبادل لیگاند برای مبادله یک گروه پیوند دهنده آلی موجود در یک MOF پیش ساخته با یک اتصال دهنده جدید با تبادل لیگاند یا تبادل لیگاند جزئی می‌توان از تکنیک‌های اصلاح شده پس از سنتز استفاده کرد. [۳۰] [۳۱] این تبادل اجازه می‌دهد تا منافذ و در بعضی موارد چارچوب کلی MOFها برای اهداف خاص طراحی شود. برخی از این کاربردها شامل تنظیم دقیق مواد برای جذب انتخابی، ذخیره گاز و آنالیز است. [۳۰] [۱۰] برای انجام مبادله لیگاند، بلورهای پیش ساخته MOF با حلال شسته و سپس در محلول اتصال دهنده جدید خیس می‌شوند. [۳۱] تبادل لیگاند پست سنتز همچنین امکان ترکیب گروه‌های عاملی به MOFها را فراهم می‌کند که در غیر این صورت، به دلیل دما، pH یا سایر واکنش‌ها، از سنتز MOF دوام نخواهند آورد، یا با رقابت با گروه‌های اهدا کننده در لیگاند قرضی، مانع سنتز می‌شود. تبادل فلز سنتز طبقه ای مواد کامپوزیت رویکرد دیگر برای افزایش جذب در MOF تغییر سیستم به گونه ای است که جذب شیمیایی امکان‌پذیر باشد. این قابلیت با ساخت یک ماده ترکیبی، که شامل یک MOF و یک مجموعه از پلاتین با کربن فعال است، معرفی شده است. با این حال، دفع ممکن است بیش از ۱۲ ساعت طول بکشد، و دفع برگشت‌پذیر گاهی فقط برای دو چرخه مشاهده می‌شود. رابطه بین سرریز هیدروژن و خواص ذخیره‌سازی هیدروژن در MOF به خوبی درک نشده است اما ممکن است مربوط به ذخیره هیدروژن باشد. با افزایش مقدار فشار، جذب گاز هیدروژن توسط چارچوب‌های فلزی-آلی متخلخل افزایش می‌یابد. وقتی گاز هیدروژن فشرده شود، چگالی انرژی حجمی آن بسیار کم است، بنابراین حمل و نقل و ذخیره‌سازی هیدروژن به فرایندهای فشرده سازی و مایع سازی با انرژی زیاد احتیاج دارد. بنابراین، توسعه روش‌های جدید ذخیره‌سازی هیدروژن که فشار همزمان مورد نیاز برای چگالی انرژی حجمی عملی را کاهش می‌دهد، یک موضوع فعال تحقیق است. MOFها به دلیل داشتن سطح ویژه بالا و نسبت سطح به حجم و همچنین ساختارهای شیمیایی قابل تنظیم، به عنوان ماده ای برای ذخیره هیدروژن جاذب جلب می‌کنند. کاربردهای بیشتر الکتروکاتالیز ناحیه سطحی بالا و ویژگیهای سایتهای فلز اتمی MOFها آنها را به عنوان کاندید مناسبی برای الکتروکاتالیستها، به ویژه آنهایی که مربوط به انرژی هستند، تبدیل می‌کند. تاکنون، MOFها به عنوان الکتروکاتالیزور برای تقسیم آب (واکنش تکامل هیدروژن و واکنش تکامل اکسیژن)، کاهش دی‌اکسید کربن و واکنش کاهش اکسیژن به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌اند. | ## بخش 3: چارچوب‌های فلز-آلی | با این حال، برخی از نتایج نشان داده است که برخی از MOFها تحت شرایط الکتروشیمیایی پایدار نیستند. شامل اتصال گره فلزی (چند وجهی آبی)، SBU با میله بی‌نهایت و نمایش سه بعدی MOF-76. یک کاربرد بالقوه برای MOF، تصویربرداری و سنجش بیولوژیکی از طریق فوتولومینسانس است. زیرمجموعه وسیعی از MOFهای درخشان از لانتانیدها در خوشه‌های فلزی استفاده می‌کنند. فوتولومینسانس لانتانید دارای بسیاری از ویژگی‌های منحصر به فرد است که آنها را برای کاربردهای تصویربرداری ایده‌آل می‌کند، مانند نوارهای انتشار مشخصه تیز و به‌طور کلی غیر همپوشانی در مناطق قابل مشاهده و مادون قرمز نزدیک (NIR)، مقاومت در برابر لکه برداری عکس یا 'چشمک زدن' و طولانی طول عمر لومینسانس. در پی افزایش نگرانی عمومی در مورد آلودگی رادیواکتیو، به دلیل بهره‌برداری از نیروگاه هسته ای و از کار افتادن سلاح هسته ای، ایجاد مسیرهای جدید برای مدیریت کارآمد پسماندهای هسته ای ضروری است. سنتز مواد جدید با قابلیت انتخاب و جداسازی اکتینید انتخابی یکی از چالش‌های فعلی است که در بخش زباله‌های هسته ای پذیرفته شده است. چارچوب‌های فلزی - آلی (MOF) به دلیل تخلخل، مدولار بودن، تبلور و قابلیت تنظیم، دسته ای امیدوار کننده از مواد برای حل این چالش هستند. سیستم‌های انتقال دارو سیستم‌های انتقال کنترل‌شده دارو، مهم‌ترین کاربرد چارچوب‌های فلزی-آلی متخلخل در علم پزشکی به‌شمار می‌روند. سنتز، خصوصیات و مطالعات مرتبط با دارو در مورد سمیت پایین، MOFهای زیست سازگار نشان داده است که آنها برای کاربردهای پزشکی پتانسیل بالایی دارند. بسیاری از گروه‌ها MOFهای مختلف با سمیت کم را سنتز کرده و کاربردهای آنها را در بارگیری و ترشح داروهای درمانی مختلف برای کاربردهای بالقوه پزشکی بررسی کرده‌اند. روشهای مختلفی برای انتقال دارو وجود دارد، مانند پاسخ pH، پاسخ مغناطیسی، پاسخ یونی، پاسخ دما و پاسخ فشار. نیمه رساناها در سال ۲۰۱۴ محققان ثابت کردند که می‌توانند فیلم‌های نازک رسانای الکتریکی Cu3(BTC)2 می‌تواند در برنامه‌هایی از جمله فتوولتائیک، سنسورها و مواد الکترونیکی و راهی به سمت ایجاد نیمه رساناها استفاده شود. کانی سازی زیست تقلیدی در فرایند تبلور MOF می‌توان مولکول‌های زیستی را ترکیب کرد. مولکول‌های زیستی از جمله پروتئین‌ها، DNA و آنتی‌بادی‌ها می‌توانند در ZIF-8 کپسوله شوند. آنزیم‌های کپسول شده به این روش حتی پس از قرار گرفتن در معرض شرایط سخت پایدار و فعال بودند. ذخیره و جداسازی گاز دی‌اکسید کربن چارچوب‌های فلزی-آلی متخلخل ظرفیت بالایی برای ذخیره‌سازی دی‌اکسید کربن در دما و فشار معمول دارند. نمک زدایی / جداسازی یون غشاهای MOF می‌توانند انتخاب یونی قابل توجهی را تقلید کنند. از سال ۲۰۱۸ اسمز معکوس بیش از نیمی از ظرفیت آب شیرین کن جهانی و آخرین مرحله از اکثر فرایندهای تصفیه آب را تأمین می‌کند. اسمز از دهیدراتاسیون یونها، یا انتقال یونهای انتخابی در کانالهای بیولوژیکی استفاده نمی‌کند و از نظر انرژی صرفه جویی نمی‌کند. صنعت معدن، از فرایندهای مبتنی بر غشا برای کاهش آلودگی آب و بازیابی فلزات استفاده می‌کند. از MOF می‌توان برای استخراج فلزاتی مانند لیتیوم از آب دریا و جریان‌های زائد استفاده کرد. جذب بخار آب و رطوبت زدایی از آن نمونه اولیه ای ساخته شده است که بخار آب را از هوا گرفته و سپس با استفاده از مقدار کمتری از گرما در مقایسه با فناوری‌های موجود تجاری، آن را آزاد می‌کند. فروالکتریک و مالتی فریک برخی از MOFها نیز قطبی شدن خود به خودی الکتریکی را به نمایش می‌گذارند، که به دلیل ترتیب دو قطبی‌های الکتریکی (پیوند دهنده‌های قطبی یا مولکول‌های مهمان) زیر دمای انتقال فاز خاص رخ می‌دهد. | ## جمع‌بندی | اگر این نظم دو قطبی دوربرد بتواند توسط میدان الکتریکی خارجی کنترل شود، یک MOF را فرو الکتریک می‌نامند.