hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
أطر فلزية عضوية التطبيقات
تعمل الأطر الفلزية العضوية على تخزين الهيدروجين عن طريق الامتزاز الفيزيائي بشكل أكبر من الامتزاز الكيميائي نظراً لكبر الفجوة بين أعلى مدار جزيئي مشغول وأدنى مدار جزيئي غير مشغول ، ولانخفاض مستوى طاقة أعلى مدار جزيئي مشغول بالنسبة للهيدروجين الجزيئي. من بين الأطر الفلزية العضوية المعيارية في هذا المجال الإطار MOF-177، والذي وجد أنه قادر على تخزين الهيدروجين عند 7.5% وزناً بسعة تخزين حجمية مقدارها 32 غ/ل عند 77 كلفن و70 بار. يتكون الإطار MOF-177 من عناقيد فلزية من الزنك 6+ [Zn4O] مرتبطة ببعضها بربيطات عضوية من 5،3،1-ثلاثي بنزوات البنزين ، ولديه مساحة سطح مقاسة وفق نظرية BET  مقدارها 4630 م2غ−1. من الأطر الأخرة النمطية في هذا المجال من التطبيقات أيضاً إطار PCN-61، والذي لديه سعة تخزين حجمية من الهيدروجين تصل إلى 6.24% وزناً و42.5 غ/ل عند 77 كلفن و35 بار، مقابل 2.25% وزناً عند قيم الضغط الجوي. يتألف الإطار PCN-61 من عناقيد من ثنائيات النحاس 4+ [Cu2] على هيئة عجلة ومرتبطة ببعضها بربيطات عضوية  ولديه مساحة سطح وفق نظرية BET مقدارها 3000 م2غ−1. ولكن، وعلى الرغم من هذه الأمثلة الواعدة، إلا أن هناك منافسة من أنماط أخرى من المواد المسامية الاصطتاعية القائمة على الكربون المنشط والأطر العضوية التساهمية (COFs)، والمتميزة بأنها ذات كفاءة مرتفعة في تخزين الهيدروجين.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
تواجه التطبيقات العملية للأطر الفلزية العضوية في مجال تخزين الهيدروجين تحديات عدة. إذ من أجل امتزاز الهيدروجين عند درجات حرارة مقاربة لدرجة حرارة الغرفة ينبغي على طاقة الارتباط  للهيدروجين أن تزداد إلى حد كبير. تؤثر نوعية الربيطات على الاستخدامات النهائية المحتملة للأطر؛ وقد جربت العديد من الأنماط لذلك الغرض، بما فيها الكربوكسيلات والآزولات  والسيانيدات، بالإضافة إلى الأطر العضوية التساهمية (COFs). على الرغم من ذلك، تبقى الأطر المرتكزة على هياكل من الكربوكسيلات أكثر الأطر محطاً للاهتمام لعدد من الأسباب: أهمها 1) التوفر التجاري وسهولة الاصطناع؛ 2) ارتفاع درجة الحموضة (pKa ~ 4) مما يمكن من عملية نزع بروتون  سلسة في وسط التفاعل؛ 3) يكون تشكيل الرابطة بين الكربوكسيلات والمراكز الفلزية عكوساً، مما يسهل من تشكل بنية بلورية منتظمة للأطر؛ 4) تساهم إمكانية التناسق الجسري ثنائي السن  للكربوكسيلات في تفضيل درجة عالية من الترابط في بنية الإطار مع وجود روابط فلز-ربيطة قوية تحافظ على هيكل الإطار حتى في الشروط القاسية للتصنيع التي تتطلب تفريغ المذيب من المسامات.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
أكثر الفلزات الانتقالية استخداماً في الأطر المرتكزة على الكربوكسيلات هي الأيونات ثنائية الشحنة من النحاس 2+Cu والزنك 2+Zn. جربت الكثير من الأيونات الفلزية مثل البيريليوم في الإطار Be12(OH)12(btb)4، والذي كان أول إطار عضوي فلزي يدخل أيون فلز من العناصر الخفيفة التابعة لعناصر المجموعة الرئيسية في الجدول الدوري، والذي أظهر بدوره سعة تخزينية كبيرة للهيدروجين، إلا أن سميته المرتفعة تحد من التطبيقات العملية له. في مثال آخر، تبذل جهود كبير في الأبحاث العلمية على إدراج فلزات خفيفة أخرى مثل المغنيسيوم في بنية الأطر الفلزية العضوية مثل Mg4(bdc)3.
يحوي الجدول أدناه قائمة من الأطر الفلزية العضوية التي أظهرت خواصاً جيدة في تخزين الهيدروجين:
أطر فلزية عضوية التطبيقات
من أكبر التحديات التي تواجه استخدام الأطر الفلزية العضوية في تخزين الهيدروجين هي المقدرة على الاستخدام في شروط محيطة معتدلة تقارب درجة حرارة الغرفة، وذلك يتطلب موازنة بين سعة تخزينية عظمى والإبقاء على معدلات امتزاز معقولة وكذلك المحافظة على بنية الإطار لدورات عديدة من التفريغ والتعبئة. هناك استراتيجيتان رئيسيتان تحكمان تصميم الأطر الفلزية العضوية من أجل تخزين الهيدروجين؛ وهما:
كرس العالمان عمر ياغي وروسويل  جهودهما على دراسة هذه الاستراتيجات وحددا العديد من الإرشادات في المنشورات الأولى لهما في بداية القرن الحادي والعشرين.
كلما ازدادت مساحة السطح كلما ازدادت السعة التخزينية للهيدروجين. تميل المواد ذات مساحة السطح الكبيرة إلى تشكيل حجم متزايد من المسامات الميكروئية  بالإضافة إلى كثافة جسم منخفضة، مما يمكن من حدوث امتزاز أكبر للهيدروجين.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
تعد خاصة المحتوى الحراري لامتزاز  الهيدروجين من الخواص المهمة والمؤثرة على سعة تخزين الهيدروجين. فقد بينت الدراسات النظرية أن تآثرات مقدارها 22–25 كيلوجول/مول تكون مثالية لتخزين الهيدروجين عند درجة حرارة الغرفة، إذ تكون قوية بالشكل الكافي لامتزاز الهيدروجين؛ ولكنها ضعيفة بالحد الذي يمكن من انتزاز  سريع. لا يعد التآثر بين الهيدروجين والربيطات العضوية غير المشحونة  قوياً، لذلك بذلت الكثير من الجهود من أجل اصطناع أطر فلزية عضوية ذات مواقع فلزية مفتوحة يمكن للهيدروجين أن يمتز عليها بمحتوى حراري من الامتزاز مقداره 5–10 كيلوجول/مول. ويمكن التوصل إلى ذلك اصطناعاً عبر استخدام ربيطات تعيق هندستها الفراغية الفلز من التناسق الكامل، وذلك عبر إزالة جزيئات المذيب المتطايرة المرتبطة تناسقياً بالفلز خلال الاصطناع؛ بالإضافة إلى التشريب  بعد الاصطناع بكميات إضافية من كاتيونات الفلز. من الأمثلة على الإطاران (C5H5)V(CO)3(H2) المرتكز على الفاناديوم وMo(CO)5(H2) المرتكز على الموليبدنوم، واللذان أبديا طاقة ارتباط متزايدة نتيجة للمواقع التناسقية المفتوحة للفلزات. ولكن من جهة أخرى، كانت طاقة تفكك الرابطة  بين الهيدروجين والفلز في هذين المثالين مرتفعة، مما أدى إلى تحرر كمية كبيرة من الحرارة عند تعبئتها بالهيدروجين، وذلك أمر غير مفضل من أجل خلايا الوقود. من أجل ذلك، ينبغي تجنب تآثرات مدارية  عند تصميم الأطر الفلزية العضوية والتي تقود إلى روابط قوية بين الفلز والهيدروجين؛ بالمقابل من المفضل تطبيق تآثرات ثنائي قطب بسيطة محرضة بالشحنة  كما في مثال الإطار Mn3[(Mn4Cl)3(btt)8]2. إن طاقة تشكل الرابطة في مجال يقع ضمن 22–25 كيلوجول/مول هي قيمة نمطية من أجل تآثرات ثنائي قطب محرضة بالشحنة، وهناك اهتمام متزايد في استخدام ربيطات وفلزات مشحونة في تصميم الأطر الفلزية العضوية. تتضاءل قوة الرابطة بين الفلز والهيدروجين في الأطر مع مرور الوقت، وقد يعود ذلك ربما إلى انتشار الشحنة ، لذلك تجرى الأبحاث على الأيونات الفلزات المشحونة 2+ أو 3+ من أجل تقوية الارتباط. ولكن تواجه هذه المقاربة مشكلة، وذلك بأن الأطر الفلزية العضوية ذات السطوح المكشوفة على الفلزات لديها تركيز منخفض من الربيطات، مما يصعب من عملية اصطناعها، كما قد تواجه بنيتها الانهيار؛ ومجمل هذه الأمور يقلل من العمر الافتراضي المفيد لها في مثل هذه التطبيقات.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
للعديد من الأطر الفلزية العضوية حساسية تجاه الرطوبة الجوية؛ فعلى سبيل المثال تنهار بنية الإطار IRMOF-1 (اسم آخر للإطار MOF-5 المرتكز على الزنك) بوجود كميات ضئيلة من الماء عند درجة حرارة الغرفة. بينت الدراسات على المشابهات الفلزية  مقدرة فلزات أخرى خلاف الزنك على تحمل تراكيز أعلى من الماء عند درجات حرارة مرتفعة. من أجل التخفيف من هذا الأثر، يتطلب إنشاء حاويات تخزين خاصة للأطر، والتي يمكن أن تكون مكلفة. يمكن أيضاً عن طريق استخدام ربيطات معينة التخفيف من الحساسية تحاه الرطوبة، إذ من المعلوم أن الربيطات الداخلة في تركيب الأطر والقادرة على تشكيل روابط قوية مع الفلزات مثل الإيميدازولات  والتريازولات  والبيرازولات  تخفض من حساسية الأطر الفلزية العضوية تحاه رطوبة الهواء، مخفضة بذلك من تكاليف التخزين.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
في المواد دقيقة المسامات والتي يكون فيها الامتزاز الفيزيائي وقوى فان دير فالس الضعيفة هي المتحكمة بالامتزاز، تكون السعة التخزينية معتمدة على قياس المسامات. لجزيء الهيدروجين طول رابطة مقداره 0.74 أنغستروم، ونصف قطر فان دير فالس مقداره 1.17 أنغستروم لكل ذرة؛ بالتالي يبلغ طول فان دير فالس الفعلي للجزيء مقدار 3.08 أنغستروم. تظهر الحسابات النظرية للمواد مثالية التجانس  مثل الغرافيت أو الأنابيب النانوية الكربونية أن المواد دقيقة المسامات بقياس مسامات قياسها حوالي 7 أنغستروم هي الأكثر قدرة على التقاط أعظمي من الهيدروجين عند درجة حرارة الغرفة. بذلك القياس يمكن بالضبط امتزاز طبقتين من جزيئات الهيدروجين على سطحين متقابلين من غير وجود فراع كبير بينهما. يعد قياس 10 أنغستروم للمسامات أيضاً من القياسات المثالية، لأنه بذلك يمكن بالضبط تكديس ثلاثة طبقات من جزيئات الهيدروجين من غير وجود فراغات كبيرة بينها.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
للعيوب البنيوية  تأثير كبير على أداء الأطر الفلزية العضوية؛ إذ يكون التقاط الهيدروجين عبر طفحة جسرية  عند درجة حرارة الغرفة محكوماً بالعيوب البنيوية، إذ في حال كان الإطار الفلزي العضوي منهاراً جزئياً، فإن ذلك سيحجب الوصول إلى المسامات، مما يقلل من التقاط الهيدروجين؛ من جهة أخرى فإن العيوب في الشبكة البلورية  تسبب في تشكل سبكة معقدة من المسامات والقنوات الجديدة، مما يؤدي في النهاية إلى زيادة التقاط الهيدروجين. يمكن أيضاً للعيوب البنيوية أن تترك العقد الفلزية غير كاملة التناسق (عدد تناسقي غير مكتمل)، وذلك يحسن من أداء الأطر الفلزية العضوية المستخدمة من أجل تخزين الهيدروجين عن طريق زيادة عدد مراكز الفلزات المتاحة. في نقطة أخرى، تؤثر العيوب البنيوية على نقل الفونونات ، والتي تؤثر على الناقلية الحرارية للأطر.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
تعد عملية الامتزاز هي العملية الأساسية في تخزين الهيدروجين ضمن الأطر الفلزية العضوية، حيث تحتجز ذرات الهيدروجين أو الجزيئات الموجودة على السطح، لذلك تزداد السعة التخزينية للامتزاز مع ازدياد مساحة السطح. وفي بنية فراغية ثلاثية الأبعاد عالية المسامية مثل الأطر الفلزية العضوية تكون الشروط مثالية لاستخدامها وسائل تخزين للهيدروجين. يصنف الامتزاز عموماً إلى صنفين، الامتزاز الفيزيائي أو الامتزاز الكيميائي. ما يميز الامتزاز الفيزيائي هو وجود تآثرات فان دير فالس  ضعيفة، والمحتوى الحراري للروابط يقع في مجال نمطي أقل من 20 كيلوجول/مول. بالمقابل، فإن ما يميز الامتزاز الكيميائي هو وجود روابط كيميائية أقوى مثل الروابط التساهمية أو الأيونية ذات محتوى حراري تقع قيمته في مجال بين 250-500 كيلوجول/مول. في كلا الحالتين، تكون الجسيمات (ذرات أو جزيئات) الممتزة منجذبة إلى السطح الماز بسبب طاقة السطح  الناتجة عن مواقع الترابط غير المشغولة على السطح. لذلك تعد درجة تراكب المدارات  للتآثرات محددة إن كان الامتزاز الحاصل امتزازاً فيزيائياً أو كيميائياً.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
في الأطر الفلزية العضوية يكون الامتزاز لجزيئات الهيدروجين امتزازاً فيزيائياً، إذ أن للهيدروجين الجزيئي مجرد إلكترونين فقط، وقوى الانتشار ضعيفة، نمطياً بين 4–7 كيلوجول/مول، وتكون كافية فقط من أجل الامتزاز عند درجات حرارة أقل من 298 كلفن. أجريت دراسات لشرح وتوضيح كامل لآلية الاشتراب  في الأطر الفلزية العضوية وذلك بواسطة حساب المتوسط الإحصائي  بأسلوب فرقة قانونية كبرى  ضمن مجال واسع من الضغوط ودرجات الحرارة.
استخدمت وسيلتا التحليل الوزني والحجمي من أجل قياس لكمية الهيدروجين الملتقطة في الأطر الفلزية العضوية المستخدمة من أجل تخزين الهيدروجين. لحساب الكمية الكلية من الهيدروجين في الإطار الفلزي العضوي ينبغي اعتبار كميتين اثنتين، الأولى كمية الهيدروجين الممتز على السطح، والثانية كمية الهيدروجين المتوضعة داخل المسامات. لحساب الكمية الممتزة المطلقة (Nabs) تضاف الكمية الفائضة على السطح (Nex) إلى ناتج جداء الكثافة الظاهرية  للهيدروجين (ρbulk) وحجم مسامات الإطار (Vpore) كما هو مبين في المعادلة المرافقة:
أطر فلزية عضوية التطبيقات
يحسب مقدار ازدياد كتلة الأطر الفلزية العضوية نظراً للهيدروجين المخزن فيها مباشرةً باستخدام ميزان حساس  جداً. نظراً لطفو  الغازات فإن الكتلة المسجلة للهيدروجين الممتز تتناقص مجدداً عند تطبيق ضغط مرتفع كاف إلى النظام، لأن كثافة غاز الهيدروجين المحيط عامل مهم عند الضغوط المرتفعة. لذلك، ينبغي اعتبار هذا الفقدان في الوزن وتصحيح مقدار الكتلة المقاسة باعتبار حجم الإطار الفلزي العضوي وكثافة الهيدروجين.
يمكن أن تحسب كمية الهيدروجين المحتجزة داخل الأطر الفلزية العضوية عبر تحديد تغير ضغط الهيدروجين المقيس في حجم ثابت؛ تحسب الكمية من طرح حجم الهيدروجين في الفراغ المحيط من الحجم الكلي للهيدروجين المستخدم والمخزن في الأسطوانات.
نظراً لارتفاع قيمة مساحة السطح وللخواص المميزة لمواقع الفلزات ضمن البنية، لذا من التطبيقات المحتملة للأطر الفلزية العضوية استخدامها على هيئة حفازات كهربائية ، وخاصة في مجالات حيوية مثل التحليل الكهربائي للماء  الذي يهدف إلى تفكيك الماء  إلى العناصر الغازية المكونة له من الهيدروجين والأكسجين؛ ومثل تفاعلات اختزال ثنائي أكسيد الكربون  أو الأكسجين.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
حالياً هناك طريقتان لاستخدام الأطر الفلزية العضوية في هذا المجال؛ الأول اعتماداً على الأطر الفلزية العضوية بكونها مواد طليعية سابقة  لتحضير الحفازات الكهربائية بوجود دعائم كربونية ؛ وقد يكون التحول الكهركيميائي  للأطر هو العامل الحقيقي للتحفيز الكهربائي، وبذلك تعتبر الأطر الفلزية العضوية طلائع حفازات ضمن هذه الظروف. أما الثاني فيتمثل باستخدامها مباشرة على هيئة حفازات كهربائية. على الرغم من ذلك، ليست كل الأطر الفلزية العضوية ملائمة لهذا التطبيق، إذ بينت نتائج التجارب أن بعض الأطر غير مستقرة ضمن ظروف العمليات الكهركيميائية.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
من التطبيقات المحتملة أيضاً للأطر الفلزية العضوية استخدامها في مجال التصوير والاستشعار الحيوي  بواسطة خاصة الضيائية الفوتونية . وهناك مجموعة فرعية كبيرة من الأطر الفلزية العضوية التي تدخل عناصر اللانثانيدات  في تركيب العناقيد الفلزية فيها، والمستخدمة على هيئة مجسات  ذات خواص مميزة ومثالية من أجل تطبيقات التصوير التقنية، إذ تظهر على هيئة حزم انبعاث غير متراكبة  وقوية وخاصة في مجال الطيف الكهرومغناطيسي المرئي وتحت الأحمر القريب ؛ كما تبدي مقاومة للابيضاض ضوئي (البهت أو الخفوت الضوئي )؛ بالإضافة إلى خاصة الضيائية طويلة الأمد . إلا أنه من الصعب استشعار الانبعاثات الضيائية اللانثانيدية، لأنه عليها أن تخضع لانتقالات f-f الممنوعة وفق قاعدة لابورت . ولكن يمكن إنجاز ذلك الاستشعار للانبعاثات الضيائية اللانثانيدية بشكل غير مباشر عبر تطبيق أثر لاقط الإشارة (أثر الهوائي ، حيث تقوم الربيطات العضوية بدور هوائيات وتمتص طاقة الإثارة  وتحول الطاقة وتنقلها إلى اللانثانيدات لتصل إلى الحالة المثارة، والتي تعطي بدورها الانبعاث الضيائي عند الاسترخاء  (العودة إلى الحالة القاعية). يعد MOF-76 من الأمثلة الرائدة لأثر لاقط الإشارة في الأطر الفلزية العضوية، إذ تتضمن بنيته وجود أيونات لانثانيد ثلاثية التكافؤ وربيطات عضوية من حمض التريميسيك (5،3،1-ثلاثي كربوكسيلات البنزين (BTC))، والتي تربط هيكل البنية على هيئة قضبان داعمة متناسفة في شبكة بلورية ثلاثية الأبعاد. كما بينت عدة مجموعات بحثية فإن ربيطات BTC يمكن لها بفعالية كبيرة أن تستشعر الانبعاثات الضيائية اللانثانيدية، مما يؤدي إلى الحصول على إطار فلزي عضوي ذي أطوال موجة متغيرة للانبعاث  حسب نوعية اللانثانيد المستخدم. بالإضافة إلى ذلك، فقد بينت مجموعة بحثية أخرى أنه يمكن لأيونات اليوروبيوم الثلاثي 3+Eu والتربيوم 3+Tb الثلاثي في الإطار MOF-76 أن تستخدم من أجل الكشف الانتقائي لمركب أسيتوفينون من بين الهيدروكربونات المتطايرة أحادية العطرية . وعند التقاط مركب أسيتوفينون يظهر الإطار الفلزي العضوي انخفاضاً حاداً في شدة الضيائية بما يعرف باسم استخماد التألق .
أطر فلزية عضوية التطبيقات
إلا أنه من أجل استخدام الأطر الفلزية العضوية في تطبيقات التصوير الحيوي ينبغي أولاً تجاوز عقبتين رئيسيتين، الأولى: يجب اصطناع الأطر الفلزية العضوية على مقياس نانوي  كي لا تؤثر سلباً على الجسم الهدف لا من حيث التآثرات أو السلوك؛ الثانية: يجب أن يكون طول موجات الامتصاص والانبعاث ضمن مجال لا يحدث فيه تداخل كبير مع مجال الفلورية التلقائي للعينة ، وفي مناطق تغيب فيه الأنواع الكيميائية الماصة الأخرى، وفي مناطق اختراق أعظمي للأنسجة.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
وجد أنه كلما صغر حجم الربيطات في البنية كلما تحسنت ثباتية واستقرار الإطار الفلزي العضوي، إلا أنها بسبب ذلك سيكون لديها امتصاصات أعلى للطاقة، بشكل سائد في مجال الأشعة فوق البنفسجية ومناطق المجال المرئي مرتفعة الطاقة. نفذت خطة تصميم لأطر فلزية عضوية ذات خواص امتصاص مع انزياح لوني عميق  (انزياح نحو الأحمر ) بواسطة ربيطات أضخم حاملة للون ؛ وهي تتكون غالباً من هيدروكربونات عطرية متعددة الحلقات بشكل يضمن تعدد العطرية ، مما يؤدي إلى الحصول على قياسات أكبر للمسامات، مما يؤثر سلباً على استقرارية هيكل الإطار. لهذا السبب، تستخدم طرائق أخرى من أجل تأمين الانزياح نحو الأحمر لامتصاص الأطر الفلزية العضوية، بحيث يمكن أن تستخدم طاقات تنشيط أخفض؛ ومن بينها طرائق التحويرات بعد الاصطناع. فقد تمكنت مجموعة بحثية من تحضير صنف جديد من الأطر الفلزية العضوية اللانثانيدية ذات ربيطات عضوية وظائفية مثل MOF-1114 و MOF-1115 و MOF-1130 و MOF-1131، والتي تتألف من وحدات بناء ثمانية الوجوه من العناقيد الفلزية المرتبطة ببعضها بربيطات عضوية من ثنائيات الكربوكسيلات المستبدلة بمجموعات أمينية . تقوم المجموعات الأمينية بدور مواقع ارتباط للتحوير بعد الاصطناع بالتفاعل مع ألدهيد الساليسيل  أو 3-هيدروكسي نفثالين-2-كربوكسال ألدهيد، مما يؤدي إلى إطالة الترافق π  في الربيطات، بالتالي الحصول على انزياح نحو الأحمر في أطوال موجات الامتصاص من 450 نانومتر (نم) إلى 650 نم. واقترحت الدراسة إمكانية تطبيق هذه الخطة على الأنظمة الأصغر من الأطر الفلزية العضوية من أجل تأمين هذا الانزياح. في سنة 2023، تمكنت مجموعات بحثية من تطوير أطر فلزية عضوية من أجل تطبيقات التصوير الحيوي باصطناع إطار فلزي عضوي يحوي على عناقيد فلزية من أيونات الإتيربيوم الثلاثي 3+Yb ذات انبعاثات ضيائية لانثانيدية في مجال تحت الأحمر القريب، وعلى ربيطات عضوية من ثنائي كربوكسيلات فينيلين فاينيلين . وأجريت تجارب على أنسجة حيوية والكشف عنها باستخدام وسائل مطيافية عديدة، منها البؤرية  والمرئية ومطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة .
أطر فلزية عضوية التطبيقات
مع ازدياد الوعي الشعبي لمخاطر التلوث إشعاعي تدرس احتمالية استخدام الأطر الفلزية العضوية من أجل التقاط واحتواء والتخلص من النفايات النووية  والمخلفات الإشعاعية المتراكمة من مفاعلات الطاقة النووية أو من تفكيك الأسلحة النووية. تعد الأطر الفلزية العضوية من المواد الواعدة للتطبيق في هذا المجال نظراً لمقدرتها على الاحتواء طويل الأمد والانتقائي للأكتينيدات ؛ بالإضافة إلى قابلية النمذجة  المميزة، وارتفاع مساحة السطح، وألفة الارتباط الانتقائية، والتبلور الفراغي القابل للتعديل، وكذلك ثباتية البنية المرتفعة. أجريت بالفعل تجارب عملية على أطر فلزية عضوية لاحتواء النفايات النووية، إذ وجد أن إطار فلزي عضوي مرتكز على الزركونيوم قادر على مقاومة التعرض المطول لأشعة غاما مع الحفاظ على بنية البلورية.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
طورت عدة طرائق من أجل استخدام الأطر الفلزية العضوية لاحتواء النويدات المشعة . أولاها هو أسلوب إدماج النويدات المشعة ضمن بنية الإطار الفلزية العضوي على هيئة عنقود فلزي؛ وبذلك يمكن بنجاعة احتجاز الأكتينيدات واحتوائها ضمن البنية البلورية الصلبة، ولتحقيق ذلك يمكن استخدام وسائل الاصطناع المباشر، أو توسيع العناقيد الفلزية  (تحويرات بعد الاصطناع)، أو بالتبادل الكاتيوني .
من الطرائق الخرى المعروفة لالتقاط الأطر الفلزية العضوية للنويدات المشعة هو عبر الارتباط والتثبيت  تلك الكاتيونات إلى الربيطات العضوية الوظائفية ؛ إذ عندما تحوي تلك الربيطات العضوية على أجزاء محبة للنوى (نكليوفيلية)  تكون لها ألفة لتثبيت الكاتيونات، وتتضمن تلك الأجزاء كل من مجموعات الأحماض الكربوكسيلية والإيثرات التاجية . تؤدي هذه الآلية من ازدواجية الارتباط والتثبيت إلى إبطاء معدل رشح  الأكتينيدات من الإطار. فعلى سبيل المثال، وجد أن الربيطات الحاوية على مجموعات وظيفية من الأحماض الكربوكسيلية قادرة بشكل كبير على إبطاء رشح نويدات الأمريسيوم-241 (241Am) من إطار فلزي عضوي مرتكز على الزركونيوم إلى المذيب ثنائي ميثيل فورماميد .
أطر فلزية عضوية التطبيقات
يكمن أسلوب آخر لالتقاط النويدات المشعة بالأطر الفلزية العضوية عبر إدماج جزيئات ضيف في البنية، وفيها تحتجز النويدات المشعة في المسامات البلورية عبر حشرها فيها أولاً ثم بتثبيت لاحق لربيطات إضافية سادّة ، والتي تقوم بإبطاء رشح تلك النويدات المحتجزة من البنية البلورية للإطار. وجد أن معدل الرشح من هذه الأطر الفلزية العضوية المسدودة يماثل معدل الرشح من مواد أخرى مستخدمة في احتواء النويدات المشعة، مثل مواد بنية البيروفسكيت  والزيوليتات والمواد السيراميكية الفوسفاتية .
أطر فلزية عضوية التطبيقات
تدرس إمكانية استخدام الأطر الفلزية العضوية من أجل توصيل الدواء ، وأهم نقطة ينبغي اعتبارها أن لا تكون للأطر الفلزية العضوية تأثير سمّي ومتوافقة حيوياً  من أجل استخدامها في التطبيقات الطبية. وقد تمكنت عدة مجموعات من اصطناع أطر فلزية عضوية مختلفة قليلة السمية، ودرست إمكانية استخدامها من أجل تحميل وإطلاق أدوية وعقاقير علاجية؛ كما اقترحت عدة آليات من أجل تحفيز إطلاق الدواء مثل الاستجابة لتغير pH الوسط، أو الاستجابة المغناطيسية أو الأيونية، أو لتغير درجات الحرارة أو الضغط. من الأمثلة على الأطر الفلزية العضوية المتوافقة حيوياً الإطار CD-MOF-1 الذي حضرته مجموعة بحثية في سنة 2010 انطلاقاً من نواتج طبيعية  متوفرة؛ إذ يتكون ذلك الإطار من وحدات متكررة من ستة حلقات من γ-حلقي الدكسترين  المرتبطة ببعضها بواسطة أيونات البوتاسيوم. تتميز هياكل حلقي الدكسترين المكونة من مشتقات الغلوكوز بأنها قادرة على تبني أشطال فراغية مختلفة مثل مخروط مبتور  أو على شكل دلو  أو طارة ؛ كما تكون أسطحها الخارجية ذات خواص محبة للماء  (هيدروفيلية)، في حين تكون تجويفها الداخلي لاقطبياً. يمكن لحلقي الدكسترينات أن تتآثر مع جزيئات الأدوية ذات القياس الملائم لتشكل معقداً احتوائياً . وفي سنة 2027 أجرت مجموعة بحثية دراسات إضافية على الإطار CD-MOF-1 بهدف إجراء كبسلة  لدواء إيبوبروفين ضمن الإطار، وذلك بدراسة الطرائق المختلفة من أجل التحميل، بالإضافة إلى إجراء الدراسات المتعلقة بالتوافر الحيوي . كما أجرت دراسات في المختبر (خارج الحيوية)  وفي الجسم الحي (داخل الحيوية)  من أجل تحديد قابلية التطبيق لاستخدام الإطار CD-MOF-1 في توصيل دواء إيبوبروفين وغيره من الأدوية اللاستيرويدية المضادة للالتهاب .
أطر فلزية عضوية التطبيقات
شجعت التطورات في هذا المجال العديد من المجموعات البحثية الأخرى في التكثيف من جهودها في أبحاث توصيل الدواء بواسطة أطر فلزية عضوية قابلة للانحلال في الماء ومتوافقة حيوياً، وخاصة الأدوية المتاحة دون وصفة . وفي سنة 2018 نشرت مجموعة بحث دراسات على ثلاثة أطر فلزية عضوية (MIL-100(Fe) و UiO-66(Zr) و MIL-127(Fe)) متوافقة حيوياً وقادرة على توصيل أدوية مثل إيبوبروفين وأسبرين، وكانت النتائج محققة لشروط الاستخدام في أنظمة توصيل الأدوية الموضعي . كما تمكنت مجموعة بحثية أخرى من تحميل الإطار الفلزي العضوي [Zn4O(dmcapz)3] بعدد من المركب المنشطة حيوياً  مثل 5-فلورويوراسيل  والكافيين وبارا-أمينو حمض البنزويك . في حين نشرت مجموعة بحثية أخرى نتائج أبحاثها على استخدام الإطار الفلزي العضوي ZIF-8 (من أطر الإيميدازولات الزيوليتية) في مجال مكافحة الأورام من أجل ضبط تحرر مثبط الالتهام الذاتي  3-ميثيل أدينين . من الممكن إدماج الجزيئات الحيوية أثناء عملية تبلور الأطر الفلزية العضوية، متضمنةً الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) والبروتينات والأجسام المضادة والإنزيمات، والتي يمكن تغليفها (كسبلتها)  ضمن عدة أطر فلزية عضوية.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
إن الأطر الفلزية العضوية ثنائية الأبعاد هي السائدة في هذا المجال من التطبيقات، إذ تكون تلك الأطر ثنائية الأبعاد المنضدة على طبقات  ذات بنية مسامية وذات موصلية كهربائية جيدة نسبياً. برهن الباحثون في سنة 2014 أن باستطاعتهم تحضير أغشية رقيقة موصلة كهربائياً  من الأطر الفلزية العضوية Cu3(btc)2 (المعروفة أيضاً بالرمز HKUST-1) والمطعمة بجزيئات من رباعي سيانو كينو ثنائي الميثان ، وهي مادة مستقبلة للإلكترونات. يمكن استخدام تلك الأغشية في تطبيقات تتضمن صناعة الألواح الضوئية  والمستشعرات والمواد الإلكترونية، بالإضافة إلى صناعة أشباه الموصلات. كانت خواص المواد المحضرة بهذا الأسلوب قابلة للتوليف ، ومستقرة تجاه رطوبة الهواء، ووصلت قيم الموصلية الكهربائية فيها إلى قيمة عظمى بلغت 7 سيمنز لكل متر، وهي مماثلة للبرونز.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
أظهرت بعض المركبات العضوية الفلزية المرتكزة على النيكل  بأن لها بنية شبيهة بالغرافين ، ولها فجوة النطاق تقع في مجال أشباه الموصلات، وهي قادرة على التجميع الذاتي . ويمكن اعتبارها من الأطر الفلزية العضوية الموصلة كهربائياً . ما يميز الربيطات العضوية (hitp) في تلك المركبات أن المعقد الفلزي العضوي الإجمالي لديه طبيعة كسيرية  تسمح مثالياً بإعادة الترتيب. بالمقابل، فإنه ينبغي إشابة  الغرافينات من أجل الحصول على الخواص شبه الموصلة فيها. لحبيبات  مركب النيكل العضوي الفلزي المذكور آنفاً موصلية كهربائية مقدارها 2 سيمنز/سم، وهي قيمة ممتازة لمركب عضوي فلزي. اصطنع الباحثون في سنة 2018 إطار فلزي عضوي ثنائي الأبعاد شبه موصل مرتكز على الحديد ، والذي أظهر الاختبارات عليه وجود حركية إلكترون  مرتفعة عند درجة حرارة الغرفة. وفي سنة 2020 أدمجت المادة ذاتها ضمن جهاز مكشاف ضوئي ، والذي استطاع الكشف في مجال عريض (400–1575 نانومتر) من الطيف الكهرومغناطيسي من الأشعة فوق البنفسجية (UV) إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR). وبذلك كان أول إطار فلزي عضوي ثنائي الأبعاد شبه موصل استخداماً في الأجهزة الإلكترونية البصرية .
أطر فلزية عضوية التطبيقات
توجد العديد من الميزات التي تجعل الأطر الفلزية العضوية ممتازة من أجل استخدامها على هيئة مواد مازة  من أجل التقاط وتخزين ثنائي أكسيد الكربون  CO2، منها الحجم الصغير، ومقاس المسامات القابل للتوليف، بالإضافة إلى النسبة المرتفعة للفراغ  داخلها. وبذلك يمكن للأطر الفلزية العضوية أن تؤمن بديلاً أكثر كفاءة للطرائق التقليدية مثل المعالجة الأمينية  لغاز CO2 في محطات الطاقة العاملة بالفحم.
أطر فلزية عضوية التطبيقات
يمكن للأطر الفلزية العضوية أن توظف في كل شكل من تشكيلات  التقاط الكربون الرئيسية الثلاثة في محطات الطاقة العاملة بالفحم: قبل الاحتراق؛ بعد الاحتراق؛ والاحتراق المؤكسج . بالرغم من ذلك تبقى مرحلة بعد الاحتراق الوحيدة الممكن تزويدها إلى محطات الطاقة العاملة حالياً، لذلك تلقى المزيد من الاهتمام والأبحاث. في العملية المقترحة يلقم غاز المداخن  عبر أطر فلزية عضوية موجودة ضمن تصميم مفاعل معبأ . تقع درجة حرارة غاز المداخن عموماً في مجال بين 40 -60 °س، وبضغط جزئي من CO2 بين 0.13 – 0.16 بار. لذلك يستطيع غاز CO2 ضمن هذه الشروط أن يرتبط إلى الأطر الفلزية العضوية إما عبر الامتزاز الفيزيائي (بواسطة تآثرات فان دير فالس) أو عبر الامتزاز الكيميائي (بواسطة تشكيل روابط تساهمية). حالما أشبعت الأطر الفلزية العضوية بالغاز، يمكن استخلاص CO2 منها بوسائل فصل الغازات إما بتأرجح درجة الحرارة  أو تأرجح الضغط ؛ فيما يعرف باسم التجديد . بأسلوب التجديد بتأرجح درجة الحرارة يجب تسخين الأطر الفلزية العضوية إلى درجات حرارة تقارب 200 °س حتى ينتز  غاز CO2 بكفاءة تعادل أسلوب المعالجة الأمينية؛ أما بأسلوب التجديد بتأرجح الضغط يجب تخفيض الضغط حتى ينتز CO2 بشكل كامل.