2025 Nobel Kimya Ödülü, Susumu Kitagawa ve Richard Robson ile birlikte “metal-organik çerçevelerin babası” veya MOF’ların babası Omar Yaghi’yi onurlandırdığında, yeni bir kristal malzeme sınıfının yaratılmasından daha fazlasını kutladı. Bilim adamlarının molekülleri yakalama, depolama ve algılama şeklini sessizce yeniden şekillendiren bir devrimi tanıdı. Bu MOF’lar işyerlerini, çevreyi ve insan vücudunu daha güvenli hale getiren sensör teknolojilerine olanak sağlayabilir.
MOF’lar nedir ve neden önemlidir?
MOF’lar, metal iyonlarının (elektrik yükü taşıyan atomlar) çoğu canlıda bulunan karbon bazlı yapı taşları olan organik moleküllerle bağlanmasıyla yapılır. Birlikte mikroskobik gözeneklerle dolu küçük, süngerimsi yapılar oluştururlar. Bunları, her biri misafirler gibi belirli molekülleri barındıracak şekilde hassas bir şekilde tasarlanmış, nano boyutlu odalarla dolu atomik ölçekte bir iskele olarak hayal edebilirsiniz.
Kimyagerler farklı metalleri ve organik bağlayıcıları karıştırıp eşleştirebildikleri için her biri benzersiz özelliklere sahip binlerce olası MOF vardır. Yapılarına bağlı olarak bazılarının iç yüzey alanı tek bir gramın bir futbol sahasını kaplayabileceği kadar büyüktür.
Bu sünger benzeri gözeneklilik (içeride çok sayıda küçük delik anlamına gelir), MOF’ların gazları yakalayıp serbest bırakmasına, hidrojen gibi enerji açısından zengin yakıtları depolamasına ve zararlı kirleticileri yakalamasına olanak tanır. MOF’lar yapılarında çeşitli kimyasallar kullanabilir; bu da araştırmacıların bir MOF’un belirli moleküllerle ne kadar güçlü etkileşime gireceğine ince ayar yapmasına olanak tanır.
Bu özellikler, atmosferdeki sera gazı konsantrasyonlarını azaltmak için havadaki karbondioksiti yakalamak, nemli havadan temiz su çekmek ve vücuda ilaç dağıtmak gibi potansiyel kullanımlara şimdiden ilham kaynağı oldu. Geçtiğimiz on yılda MOF’ların benzersiz özellikleri, algılama ve tespit için yeni olanaklar da açmıştır.
Mühendislerden oluşan ekibimiz 2016 yılından bu yana ortamdaki belirli gaz ve buharları gerçek zamanlı olarak tespit edebilen MOF tabanlı sensörler geliştiriyor. Bu malzemelerin benzersiz özellikleri sağlık, güvenlik ve çevre izlemede algılama için yeni olanaklar açıyor.
Depolama materyalinden algılama materyaline
Bir MOF gaz veya sıvı molekülleri aldığında, küçük çerçevesi çok az değişir: Neyi ve kaç molekülü emdiğine bağlı olarak boyutu, ışığı nasıl büktüğü veya elektriği nasıl ilettiği değişebilir.
Araştırmacılar, MOF’ları ışık veya elektrikteki değişiklikleri algılayabilen cihazlara bağlayarak bu küçük değişimleri ışık, frekans veya voltaj gibi ölçülebilir sinyallere dönüştürebilirler. Sinyaller daha sonra hangi kimyasalın mevcut olduğunu ve ne kadarının bulunduğunu ortaya çıkarır. Basit bir ifadeyle, moleküller MOF’un gözeneklerine girdiğinde veya çıktığında, ışığın onun içinden geçme şeklini veya elektriğin onun etrafında nasıl davrandığını biraz değiştirirler ve bu değişiklikler sensörün okunabilir çıktısı haline gelir.
Missouri Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’ndeki grubumuz çeşitli MOF tabanlı sensör platformları geliştirdi. Tüm bu platformlarda temel fikir aynı: MOF’lar belirli gaz moleküllerini küçük kafeslerinde geçici olarak tutan seçici süngerler gibi davranır ve cihazlarımız bu alım ve salınımın zamanlamasını ve miktarını ölçer.
Bir çalışmada, HKUST-1 adı verilen bakır bazlı bir MOF’un tek bir kristalini, kesilmiş bir optik fiberin (internet ve telefon sinyallerini taşımak için kullanılan aynı türden ince cam tel) pürüzsüz, düz ucuna ekledik.
Bu kristal-fiber kombinasyonu, ışık dalgalarının birbirine nasıl müdahale ettiğini ölçebilen küçük bir cihaz olarak çalışıyordu. Yakındaki gaz molekülleri MOF kristalinin küçük gözeneklerine doğru ilerledikçe, kristalin bükülme ve ışığı yansıtma biçimi biraz değişti. Bir ışık kaynağına ve detektöre bağlanan optik fiber, bu değişiklikleri yakalayarak malzemenin kaç tane gaz molekülünü aldığını gerçek zamanlı olarak görmemize olanak sağladı.
Sondalarımız sadece gaz moleküllerinin MOF’un küçük kafeslerine girdiğini değil, aynı zamanda ne kadar hızlı gelip gittiklerini de gösteriyor. Adsorpsiyon ve salınımın hem miktarını hem de hızını ölçerek, birkaçı bir arada mevcut olduğunda hangi moleküllerin hangi oranda alındığını söyleyebiliriz. Bu dinamik görünüm, malzemenin bir hedef gazı diğerlerine göre nasıl seçtiğini gerçek zamanlı olarak görmemize yardımcı olur. Adsorpsiyonu, algılama ve tanımlama için ölçülebilir, kullanışlı bir sinyale dönüştürür.
Sağlık hizmetlerinde MOF, gerçek, ölçülebilir hastalıklara işaret eden spesifik nefes molekülleri için seçici bir sünger gibi davranabilir. Örneğin, asetonu adsorbe etmek için tasarlanmış bir MOF, bu gazı dışarı verilen nefesten yakalayabilir ve konsantre edebilir. Diyabetik ketoasidozlu kişilerde aseton seviyeleri normal değerlerin üzerine çıkarak sensörün hastalığı net ve niceliksel olarak tespit etmesine olanak tanır.
Benzer şekilde, amonyağı seçici olarak adsorbe eden bir MOF, bu bileşiği dışarı verilen nefesten konsantre edebilir. Kronik böbrek hastalığı olan kişilerde amonyak seviyeleri normal değerlerin üzerine çıktığı için sensör, böbrek fonksiyonlarının azaldığının kesin bir göstergesini sağlayabilir. Bu tür MOF’ların sensör donanımına entegre edilmesi, ölçülebilir nefes belirteçlerine dayalı olarak bu iki hastalığın hassas, invazif olmayan bir şekilde taranmasına olanak tanıyacaktır.
Bir malzemenin ince bir MOF tabakasıyla kaplanması saatler sürebilir. Ancak yakın zamanda, bakır bazlı MOF HKUST-1’in kristal katmanını doğrudan bir optik fiberin ucu üzerinde iki dakikadan kısa bir sürede oluşturan hızlı ve basit bir “damlacık kurutma” yöntemi geliştirdik. Sonuçta insan saçının yalnızca 1/20’si genişliğinde olan film, ortamdaki nemi, etanolü veya karbondioksiti saniyeler içinde tespit eden yüksek performanslı bir gaz sensörü görevi gördü.
Ayrıca MOF’ları, mikrodalga sinyallerindeki değişiklikleri algılayabilen, elde taşınan metal bir cihazla birleştirdik; tıpkı bir radyo anteninin havadaki görünmez dalgaları almasına benzer şekilde. Gaz molekülleri MOF katmanına girdiğinde, cihazın bu dalgalara verdiği tepkiyi biraz değiştirerek gazları olağanüstü bir hassasiyetle tespit etmesine olanak sağladı.
Bu sensör, yalnızca bir miktar gazın varlığını tespit etmek yerine, bir tür gaz molekülünü diğerinden ayırt edebilen, düşük maliyetli, taşınabilir bir cihaz için yapılmıştır. Bu, sadece bir şeyin meyveli koktuğunu değil, elmaları portakallardan ayırt edebilen bir burna sahip olmak gibidir.
Araştırmamız, kompakt, enerji tasarruflu cihazlardaki MOF sensörlerinin, havada yalnızca eser miktarda mevcut olsa bile belirli molekülleri seçebildiğini gösteriyor. Bir MOF’un gözenekleri belirli hedef molekülleri konsantre edecek şekilde tasarlanabilir. MOF kafesine açılan pencereden daha küçük olan tüm moleküller kafesin içine girecektir. Bu nedenle sensörleri, algılamakla ilgilendiğimiz moleküllerin kafeslerde daha uzun süre kalacak şekilde tasarlıyoruz. Bu gözeneklerin yarattığı devasa iç yüzey alanı onları inanılmaz derecede duyarlı hale getirir. Sadece birkaç sıkışmış molekül bile net bir sinyali tetikleyebilir.
Bu sensörler aynı zamanda oda sıcaklığında da çalışır ve araştırmalarımız bunların birçok geleneksel kimyasal sensörden daha hassas ve uyarlanabilir olduğunu göstermektedir.
Gerçek dünya etkisine doğru
Ana zorluklar, MOF’ların uzun vadeli dayanıklılığını ve çevresel direncini arttırmakta yatmaktadır. Çoğu çerçeve nem veya ısı altında bozulur, ancak bazı araştırma grupları bunları nasıl daha kararlı hale getireceklerini araştırıyor.
Makine öğrenimi algoritmalarıyla birleştirildiğinde bu sensörler, tıpkı insan burnunun farklı kokuları ayırt edebilmesi gibi, tek seferde yalnızca bir kimyasalı algılamak yerine, aynı anda birden fazla gazdan gelen desenleri tanımayı öğrenebilir. Bu yetenek, dışarı verilen gazlardaki ince değişikliklerin diyabet, akciğer enfeksiyonları veya kanser gibi hastalıklara erken ipuçları sağladığı insan nefesinin izlenmesine kadar uzanabilir.
Araştırmacılar MOF’ları esnek filmlere, baskılı devrelere ve kablosuz cihazlara yerleştirmeye çalışıyor. Bu yeni ilerlemeler ve daha fazla araştırma ile MOF’lar bir gün kimya ve mühendislik arasında köprü kurabilir. Nobel Ödülü’nün de kabul ettiği gibi MOF’ler, moleküler ölçekte tasarımın, insanların küresel ölçekte karşılaştığı sorunların azaltılmasına nasıl yardımcı olabileceğinin bir örneğini oluşturuyor.
Araştırmacılar bu teknolojiyi büyütebilir ve zorlukların üstesinden gelebilirse, fiber optik ve mikrodalga MOF sensör ağları bir gün güvenliği, verimliliği ve sağlığı iyileştirmek için endüstriyel tesisleri, boru hatlarını ve hatta insan nefesini istenmeyen kimyasallara karşı izleyebilir.
