金屬有機框架(metal-organic framework)
拿沸石的觀念——一個大部分是空、布滿規則孔洞的晶體——但改用像組合積木那樣去搭建它,而不是從矽石中雕出來。用金屬原子(或它們的小團簇)當作連接的樞紐,用剛硬的有機分子當作連接樞紐的支柱。把它們扣在一起,它們就自組裝成一個開放、結晶、三維的鷹架,內部空間巨大。金屬有機框架(MOF)正是如此:一種由金屬節點以有機連接臂接成多孔框架的結晶固體,一半無機、一半有機。
這種設計是模組化的,這正是 MOF 特別之處。金屬節點(比方說一個 Zn4O 團簇,或一列銅原子)當作一個有固定連接點數的角;有機連接臂(常是兩端或多端帶結合基團的剛硬分子,如苯二甲酸根)當作一條選定長度的邊。選較長的連接臂,孔洞就變大;選一個帶側基的連接臂,就裝飾了孔壁。由於你可以幾乎像分子建構套件那樣混搭節點與連接臂(「網狀化學」),人們已合成出數千種 MOF,而它們保有內表面積的紀錄——某些 MOF 一克的表面積就有一座足球場或更大,因為它們高達 90% 是空的。繞射證實它們是真正的晶體:節點與連接臂坐落在週期晶格上,儘管大部分體積是空隙。
MOF 之所以重要,是因為那廣大、可調、界定清楚的孔隙空間非常適合儲存與分選氣體與分子:從煙道氣捕捉二氧化碳、儲存氫或甲烷作燃料、分離氣體混合物、遞送藥物與催化。坦白說明限制:許多 MOF 很脆弱——移除客體分子時會塌陷,在水或潮濕空氣中會降解,而且比堅韌的全無機沸石更昂貴、熱穩定性更差。就結構而言,MOF 最好不要只從化學來理解,而要從它底層的網——節點與連接臂如何相連的拓撲——來理解,這與支配沸石的組織觀念是同一個。
MOF-5 用 Zn4O 團簇(節點)與筆直的苯二甲酸根支柱(連接臂)接成一個簡單立方網。結果是一個體積約 80% 為空的晶體,內表面積接近每克 3000 平方公尺——把支柱換成更長的,同一個網就給出孔更大的 MOF,這正是網狀設計的精髓。
MOF:金屬節點 + 有機連接臂自組裝成多孔晶體——破紀錄的表面積,可依設計調整。
儘管大部分是空的,MOF 仍是真正的「晶體」——節點與連接臂坐落在週期晶格上並銳利地繞射。但許多 MOF 遠不如沸石堅固:它們可能在移除客體時塌陷、或在潮濕中降解,這是真實的實務限制。