Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) обнаружили ряд новых состояний уникального материала, не встречающегося в природе, — металлорганических каркасов (MOFs). Пространственно-упорядоченная структура материала состоит из органических и неорганических компонентов с высокопористой структурой, устойчивых к воздействию агрессивной среды — химических веществ и высоких температур. Материал применяется в качестве высокоэффективного сорбента. Исследование позволило обнаружить его новые свойства и расширить сферу применения. Эксперименты по изучению и разработке новых материалов ведутся СФУ в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030».
В мире синтезировано более 20 тысяч видов MOFs. От модификации материала зависят его свойства и сферы применения: нейтрализация отравляющих газов, адресная доставка препаратов к органам-мишеням и многие другие. Применив метод комбинационного рассеяния света, исследователи СФУ в коллаборации с Федеральным исследовательским центром Сибирского отделения РАН обнаружили новые, ранее неизвестные науке состояния этого уникального вещества.
Металлорганические каркасы (англ. metal-organic frameworks, MOFs) — класс гибридных материалов, которые характеризуются высокой идентичностью пор, большой площадью поверхности, высокими значениями пористости. Выбор металла, органического компонента и метода синтеза определяют размер и геометрию пор. Чаще всего MOFs получают методом выращивания из водных растворов (гидротермальный метод) или в среде органических растворителей (сольвотермальный метод).
«Сейчас работа над этими соединениями немного напоминает конфигуратор: подбираются из таблицы Менделеева координирующие атомы и, соответственно, линкеры, которых тоже огромное множество. В итоге можно получить 1021 вариант металл-органических конструкций. А это больше, чем на Земле существует типов молекул», — поясняет профессор Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Евгения Слюсарева.
Перспективы применения MOFs
Новые формы металлорганических каркасных соединений могут найти применение в биосенсорике в виде биочипов, где MOF будет использован в качестве носителя ДНК для доставки и связи с другой нуклеиновой кислотой. Такой метод применяется для обнаружения и борьбы с вирусами человека. Биочипы MOFs на основе новых форм могут применяться в биомедицине для обнаружения не только ДНК и РНК, но и других молекул: белков, антигенов, антител, ферментов, глюкозы, ионов металлов (Fe2+, Cu2+), анионов вроде фторид-иона. Это позволит использовать полимер для лечения широкого спектра заболеваний.
Еще одна сфера применения MOFs — диагностика на основе молекулярной визуализации в томографии: фотоакустическая, магнитно-резонансная, позитронно-эмиссионная. Данный метод позволяет производить исследования на клеточном уровне и следить за молекулярными процессами в живых организмах, не нарушая их целостности.
Исследование новых форм металлоорганических соединений открывают ученым широкие перспективы, позволяющие осуществить прорыв в науке о материалах. В планах ученых из Сибирского федерального университета продолжение исследования связи между пространственной структурой MOFs и новыми свойствами. Узнав, как работают эти «контейнеры» для молекул, ученые могут создавать «дизайнерские решения», задавая уникальному материалу конкретные свойства.