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MOF - Metal Organic Frameworks
MOF - Metal Organic Frameworks
Costruzioni molecolari cristalline estremamente porose: contengono grandi cavità attraverso le quali i gas e altre sostanze possono fluire. Vengono spesso descritti come spugne molecolari: progettati in modo razionale, i MOF possono essere utilizzati per catturare e immagazzinare sostanze specifiche. Grazie alle loro proprietà sono stati sviluppati materiali su misura per diverse applicazioni: catturare l’anidride carbonica e inquinanti, estrarre umidità dall’aria, immagazzinare in sicurezza idrogeno, separare i PFAS dall’acqua.
Era il 1974, Richard Robson insegnava all’ università di Melbourne (Australia).
Affinché i suoi “ esperimenti “ funzionassero aveva bisogno che il laboratorio dell’ università praticasse dei fori, in modo che i legami chimici potessero attaccarsi agli atomi. Invece le molecole avevano forma e struttura corretta.
Ogni anno, iniziava con un modello semplice, che è ispirato alla struttura di diamante, dove ogni atomo di carbonio si lega ad altri quattro, dove si forma una piramide.
La sua idea era basata su ioni rame con carica positiva, Cu+. Poi combinò gli ioni rame con una molecola di 4 bracci → 4’, 4 “ , 4 “, 4” (tetracianotetrafenilmetano).
Mattia Esposito 3^ABA
Struttura MOFs
Struttura MOFs
Metallo Organico
Metallo Organico
CARATTERISTICHE
CARATTERISTICHE
MOF (Metal Organic Frameworks) sono reticoli cristallini altamente porosi (6.000 m²/g), realizzati con componenti di costruzione sia organica sia inorganica. Hanno creato numerosi MOF diversi e funzionali, utilizzando le loro caratteristiche al meglio per l'umanità, come il MOF-5, HKUST-1, UIO-66, CALF-20 O MIL-101 (Cr).
Non sono materiali di uso quotidiano
I MOF hanno la superficie più alta di qualsiasi materiale conosciuto. Una serie di mof può dispergersi per coprire un campo da calcio intero.
Esempi di SBUs (disposizioni di ligandi attraverso il metallo in questo caso di natura carbossilica)
esempi di MOFs e alcuni esempi specifici più noti
Questi hanno strutture formate da nodi metallici (ioni/cluster che indicano rispettivamente singoli cationi o più gruppi di atomi metallici) come Zn, Cu, Zr, Cr ecc.. e leganti organici come ad esempio il Benzene-1,4-dicarbossilato (BDC) e il Benzene-1,2,5-tricarbossilato (BTC).
I diversi gruppi funzionali presenti sull'anello benzenico (-COOH, -OH, -NH₂) si legano agli ioni metallici formando ponti di coordinazione e il loro posizionamento determina la geometria del reticolo, quindi anche le proprietà del MOF.
La formula generale del MOF può essere scritta come:
[𝑀𝑥(𝐿)𝑦(𝑆)𝑧]
Dove M rappresenta lo ione metallico, L è il legame organico e S indica i solventi o specie "ospiti" intrappolati nei pori.
Pertanto...
hanno un'elevata porosità e modulabilità (possono arrivare fino al 90% di volume vuoto e modellandolo lo si rende a sua volta versatile).
permettono d'intrappolare grandi quantità di molecole.
possono avere varie strutture ed essere quindi mono-, bi-, o tridimensionali.
resistono ad alte temperature e ambienti acidi.
possono essere "svuotati" e riutilizzati senza perdere la loro efficienza rendendoli riutilizzabili.
Esistono raccolte come il Cambridge Structural Database (CSD) che tengono traccia delle nuove strutture dei MOF, infatti c'è ne sono circa 90.000 di strutture chimiche già sintetizzate e pubblicate e 500.000 possibili varianti, teoricamente progettabili.
Esempi più comuni
MOF-5: formato da zinco e ha altissima porosità ed è studiato per H₂ e CO₂.
HKUST-1 (Cu-BTC): formato da rame ed è molto selettivo per CO₂.
UiO-66: ha una stabilità eccezionale, formato da Zirconio focus: robustezza e filtrazione
MIL-101(Cr): formato da cromo e/o, ha i pori enormi, usato per catalisi e cattura gas.
Il MOF-210 è il materiale ad oggi conosciuto con la più area superficiale, avente un valore pari a 10400m²/g²² e ha una capacità di stoccaggio di anidride carbonica di 2.870 milligrammi per grammo.
------------------------------------------------------------------ Qual è l'uso?
Dallo stoccaggio di gas alla distribuzione di farmaci.
Essi trattengono gas nocivi e vengono utilizzati da ricercatori come celle a combustione per immagazzinare idrogeno e metano per le auto. Ad esempio l'industria elettrica può utilizzare i MOF per contenere alcuni gas tossici necessari per i semiconduttori, altri invece scompongono questi gas nocivi, per di più numerose aziende stanno testando materiali in grado di catturare l'anidride carbonica, come la BASF (Badische Anilin- & Soda-Fabrik) che è la prima azienda al mondo ad aver prodotto MOF su scala commerciale applicandola nella cattura e stoccaggio del metano e anidride carbonica.
MOF-5 (Zn4O(BDC)3)
rifrattometro a raggi x
calcola: 𝐷 = 𝐾𝜆 𝛽𝑐𝑜𝑠𝜃
dove D è la dimensione media dei cristalliti in nm, K è la costante di Scherrer e vale approssimativamente 0.9 per cristalliti sferici, λ è la lunghezza d’onda della sorgente a raggi X (Kα Cu = 1.54056 Å), β corrisponde all’ampiezza a metà altezza dei picchi (FWHM, Full Width Half Maximum) in radianti, θ è l’angolo di diffrazione in gradi, metà di 2θ.)
Focus: MOF-5
Focus: MOF-5
Il MOF 5 è stato il primo framework metallo-organico, realizzato mescolando zinco con un acido terolo in un solvente come DMF o DF in una fiala.
PREPARAZIONE:
mescolare tutto e aggiungere il solvente, inoltre agitare per assicurarsi di avere una miscela omogenea.
Possiamo procedere col metterla in forno da 60° a 120° (85° C) per diverse ore e diversi giorni. Utilizzare inoltre un rifrattometro a raggi x per polveri.
Per risolvere la struttura dei cristalli e dopo averla decisa si può usare l'analisi termogravimetrica per aiutarci a determinare la stabilità termica dei nostri materiali (importante per immagazzinare gas che poi verranno riscaldati per rilasciare i gas senza che il materiale si decomponga).
Si utilizza poi un autosorb che ci dà informazioni sulla superficie e sulla paracità dei nostri materiali e la loro capacità per l'assorbimento di gas come anidride carbonica, metano, idrogeno e altri gas.
Arianna-Keira Ronca 3^ABA G. d'Annunzio
L' EVOLUZIONE
L' EVOLUZIONE
I MOF (metal-organic frameworks) sono dei materiali organici porosi cristallini. Sono costituiti da ioni metallici o cluster coordinati a ligandi organici per formare strutture mono, bi o tridimensionali.
I MOF hanno una porosità davvero elevata (fino a 7.000 m²/g), pore regolabili dai micropori ai mesopori, e una importante flessibilità strutturale, capace di adattarsi a stimoli esterni come temperatura o pressione. In più offrono versatilità chimica grazie alla funzionalizzazione dei linker e una buona stabilità termica, in alcuni casi anche fino a 500 °C.
Questo è un materiale che ha visto una continua evoluzione negli anni, sviluppandosi in diversi stadi (ad oggi possono essere usati per immagazzinare gas come idrogeno, metano e anidride carbonica, e per potenziare batterie, supercondensatori e celle a combustibile. Sono utili anche per proteggere l’ambiente, ad esempio nella cattura del carbonio, nella purificazione e desalinizzazione dell’acqua). Questa evoluzione è iniziata negli anni 70, essa nasce con l’intuizione di Richard Robson che ha capito in che modo la disposizione degli atomi potesse guidare la costruzione di nuove strutture molecolari.
Il chimico australiano, nel 1989 riuscì a creare le prime strutture cristalline metallo-organiche con ampie cavità interne che consentivano l'entrata flusso di materia in entrata e in uscita. Tuttavia, i suoi materiali erano fragili ed instabili.
Un altro chimico, il chimico giapponese Susumu Kitagawa, negli anni 90 sviluppò le idee di Richard Robson, che fino ad allora erano considerate poco utili.
Prima, nel 1992 produsse le prime strutture porose bidimensionali, nel 1997 creò i primi MOF tridimensionali stabili capaci di assorbire alcuni gas.
Negli stessi anni, il chimico giordano-statunitense Omar Yaghi, introdusse il termine “metal-organic framework” e progettò materiali metallo-organici bidimensionali estremamente stabili.
Nel 1999 sviluppò il modello MOF 5, materiale con una superficie interna enorme e una notevole capacità di assorbire gas. All’inizio del nuovo secolo, il chimico mostrò che i MOF potevano essere modificati in modo razionale per ottenere diverse proprietà, aprendo la strada a migliaia di varianti.
Con il tempo iniziò ad essere usato più comunemente, il mof diventò un materiale funzionale con applicazioni concrete. Ad es. per la raccolta di inquinanti, e la gestione di gas tossici.acqua dall’aria, la cattura di CO₂, lo stoccaggio di idrogeno e metano, la filtrazione di
Robson, Kitagawa e Yaghi, quest’anno hanno vinto il premio nobel per la chimica 2025.
Pizent Noel 3^ABA G.d'Annunzio
PREMIO NOBEL DI ROBSON
PREMIO NOBEL DI ROBSON
Richard Robson è un chimico britannico naturalizzato australiano. Nel 2025 è stato onorato del Premio Nobel per la chimica insieme a Susumu Kitagawa e Omar M. Yaghi «per lo sviluppo dei reticoli metallorganici» i MOF.
I MOF (Metal–Organic Frameworks) sono reti cristalline formate da ioni o cluster metallici collegati da leganti organici, creando strutture porose.
In poche parole: sono materiali “a spugna” fatti di metalli e molecole organiche, con pori regolabili che possono immagazzinare, separare o catalizzare gas e altre sostanze.
Si ispirò alla struttura chimica del diamante dove un atomo di carbonio (C ) si lega ad altri quattro atomi, ma il fine di Robson era basato sull’utilizzo di ioni rame di carica positiva (Cu+) legati da quattro atomi intorno, il nitrile.
Il nitrile è un composto chimico organico che è attratto dagli ioni rame carica positiva.
struttura diamante Robson
Al tempo, quasi tutti i chimici erano accomunati dallo stesso pensiero, ovvero che unendo gli ioni di rame con le molecole di nitrile si sarebbe formato solo un accumulo scomposto di ioni e molecole. Invece Robson ottenne il risultato da lui previsto: le molecole di nitrile, come anticipato prima, erano attratte dagli ioni di rame a carica positiva, ed è proprio grazie a questa loro attrazione naturale che si organizzavano in modo ordinato.
Questa struttura è simile a quella del diamante, ma, a differenza di essa che ha una struttura compatta, questo nuovo cristallo presenta molte grandi cavità al suo interno. Nel 1989 Robson presentò questo suo progetto rivoluzionario al Journal of the American Chemical Society (rivista settimanale pubblicata dalla American Chemical Society con lo scopo di coprire la ricerca in tutte le aree della chimica).
In questo articolo egli ipotizzò un nuovo modo di costruire i materiali, e questi avrebbero potuto avere proprietà mai viste prima, con potenziale impatto positivo. Poi si scoprì che Robson aveva effettivamente previsto il futuro.
Robson, un anno dopo la pubblicazione di questo suo lavoro, propose svariate nuove tipologie di costruzioni molecolari con le cavità riempite da sostanze di vario genere. Un esperimento che fece fu quello di immergere la costruzione piena di ioni in un fluido contenente una diversa tipologia di ioni, con lo scopo di convertirli.
Questo esperimento dimostrò che gli ioni effettivamente si convertivano, concludendo che le sostanze possono entrare e uscire dalla costruzione. Robson, grazie ai suoi vari esperimenti, dimostrò che si può utilizzare una progettazione razionale con la struttura MOF per creare dei cristalli con spazi interni considerevoli, idealizzati per contenere specifiche sostanze chimiche.
Robson fece notare che queste strutture molecolari, se costruite nel modo corretto, possono essere usate anche per accelerare reazioni chimiche (catalizzatori). Il problema è che queste strutture erano molto instabili e si spezzavano facilmente; infatti si trovò davanti molti chimici che le consideravano inutili, ma alcuni capirono che aveva messo alla luce qualcosa di grande e gli diedero ascolto, ispirandosi alle sue idee. Insieme a lui, a dare basi solide a quelle intuizioni, furono Susumu Kitagawa e Omar Yaghi, che tra il 1992 e il 2003 fecero scoperte fondamentali, indipendentemente l’uno dall’altro.
Così la storia comincia negli anni ’90, con Kitagawa, che lavorava alla Kindai University in Giappone.
Giulia DeMonte 3^ABA G. d'Annunzio
PREMIO NOBEL DI SUSUMU KITAGAWA
PREMIO NOBEL DI SUSUMU KITAGAWA
Susumu Kitagawa
Kyōto (Giappone) 8 ottobre 2025 . Una mossa che riflette l’urgenza globale di affrontare questioni ambientali e materiali avanzati, il Premio Nobel per la Chimica è stato assegnato, in parti uguali, a Susumu Kitagawa (Giappone), Richard Robson (Australia) e Omar M. Yaghi (USA) “per lo sviluppo dei reticoli metallorganici” (metal-organic frameworks, MOF).
Un nuovo paradigma chimico
Susumu Kitagawa è un chimico giapponese che ha scoperto un nuovo tipo di materiale con caratteristiche davvero particolari.
Questi materiali si chiamano reticoli metallorganici, o più semplicemente MOF. Sono composti da due elementi fondamentali: una parte metallica e una parte organica, cioè fatta di molecole contenenti carbonio.
Quando queste due parti si uniscono, formano una specie di struttura solida e ordinata, con dentro tantissimi piccoli spazi vuoti, come delle minuscole cavità invisibili a occhio nudo.
La scoperta importante di Kitagawa è stata capire e dimostrare che questi spazi vuoti possono restare stabili anche dopo che il materiale è stato “svuotato”. In altre parole, il materiale non si rompe e non si distrugge, ma continua a mantenere la sua struttura interna piena di micro-spazi.
Questa proprietà, chiamata porosità permanente, è ciò che rende i MOF così utili.
Grazie a questi pori, i MOF possono catturare, trattenere o separare diverse sostanze, come gas o molecole. Per esempio, possono assorbire l’anidride carbonica presente nell’aria, immagazzinare gas utili come l’idrogeno, oppure filtrare e purificare liquidi.
Kitagawa ha dimostrato che questi materiali si comportano come una sorta di “spugna molecolare”, capace di attirare e rilasciare sostanze a seconda delle condizioni, ma senza deformarsi o perdere stabilità.
Un’altra parte importante del suo lavoro è stata mostrare che questi materiali possono anche essere flessibili, cioè cambiare leggermente forma quando assorbono o rilasciano qualcosa. Questo li rende ancora più versatili, perché possono adattarsi al tipo di molecola con cui interagiscono.
METAL-ORGANIC FRAMEWORKS
Con i suoi studi, Kitagawa ha aperto un intero campo di ricerca completamente nuovo. Prima di lui, nessuno pensava che fosse possibile costruire solidi stabili con così tanta porosità interna. Dopo la sua scoperta, migliaia di scienziati in tutto il mondo hanno iniziato a studiare e creare nuovi tipi di MOF, ognuno con funzioni specifiche: per catturare gas serra, per conservare energia pulita o per filtrare sostanze nocive.
Oggi i MOF sono considerati una delle tecnologie più promettenti per il futuro, soprattutto in campo ambientale ed energetico.
Il lavoro di Kitagawa ha quindi un impatto che va oltre la chimica pura: può aiutarci a ridurre l’inquinamento, catturare CO₂ e rendere l’uso dell’energia più sostenibile.
Gabriel Tognoni 3^ABA G. D'Annunzio
PREMIO NOBEL DI OMAR YAGHI
PREMIO NOBEL DI OMAR YAGHI
Lui e i suoi fratelli nacquero in una casa ad Amman, in Giordania, senza elettricità né acqua corrente. La scuola era un rifugio dalla sua vita particolarmente difficile. Un giorno, quando aveva dieci anni, si intrufolò nella biblioteca della scuola, solitamente chiusa a chiave, e prese un libro a caso dallo scaffale; aprendolo, i suoi occhi furono attratti da immagini incomprensibili ma accattivanti: il suo primo incontro con le strutture molecolari.
Nel 1992, quando Yaghi iniziò il suo primo incarico come responsabile di un gruppo di ricerca presso l'Arizona State University, voleva trovare modi più controllati per creare materiali. Il suo obiettivo era quello di utilizzare una progettazione razionale per collegare diversi costituenti chimici per creare grandi cristalli. Questo si rivelò impegnativo, ma alla fine ci riuscirono quando il gruppo di ricerca iniziò a combinare ioni metallici con molecole organiche.
Nel 1995, Yaghi pubblicò la struttura di due diversi materiali bidimensionali; questi erano come reti ed erano tenuti insieme da rame o cobalto. Il secondo poteva ospitare molecole ospiti nei suoi spazi e, quando questi erano completamente occupati, era così stabile che poteva essere riscaldato a 350°C senza collassare. Yaghi descrive questo materiale in un articolo su Nature dove conia il nome "struttura metallo-organica (MOF)". Questo termine è ora utilizzato per descrivere strutture molecolari estese e ordinate che potenzialmente contengono cavità e sono costituite da metalli e molecole organiche (a base di carbonio). Di conseguenza ha ricevuto il Nobel Prize in Chemistry 2025 insieme a Susumu Kitagawa e Richard Robson “per lo sviluppo dei framework metallo-organici (metal–organic frameworks, MOF)”.
Pochi grammi della struttura di Yaghi
Pochi grammi della struttura di Yaghi
possono contenere un campo da calcio
possono contenere un campo da calcio
Yaghi ha segnato un ulteriore sviluppo di strutture metallo-organiche nel 1999, quando ha presentato al mondo il MOF-5. Questo materiale è diventato un classico nel settore. Si tratta di una costruzione molecolare eccezionalmente spaziosa e stabile. Anche quando è vuoto, può essere riscaldato a 300°C senza collassare.
Tuttavia, ciò che ha fatto sorprendere molti ricercatori è stata l'enorme area nascosta all'interno degli spazi cubici del materiale. Un paio di grammi di MOF-5 contengono un'area grande quanto un campo da calcio, il che significa che può assorbire molto più gas di una zeolite.
Le MOFs hanno aree superficiali enormi: per esempio, pochi grammi di un materiale possono avere una superficie equivalente a quella di molti campi sportivi.
Ma a cosa serve una superficie così grande?
cattura CO2;
per lo stoccaggio di idrogeno e metano;
filtrazione e purificazione
catalisi
Rebecca Bertoz 3^ABA G. d'Annunzio
CITAZIONE FONTI
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/
https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/popular-chemistryprize2025-1.pdf
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/yaghi/facts
https://innovation.world/it/invention/strutture-metalliche-organiche/
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c10459
fbclid=Iwb21leAODrAhjbGNrA4Or8mV4dG4DYWVtAjExAHNydGMGYXBwX2lkDDM1MDY4NTUzMTcyOAABHkigvVKCiMdRPXUXsGFYHKEubhghed0o4f2XWmmfbZT5xCPeZPBYG59xwtEb_aem_1jPr7Q036MN2vtIUG6v5pA
https://unire.unige.it/bitstream/handle/123456789/10764/tesi31547638.pdf?sequence=1
https://globalscience.berkeley.edu/mof-210
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