Ketika Omar Yaghi tumbuh besar di Yordania, di luar Amman, lingkungannya menerima air hanya sekitar 5 jam setiap 2 minggu. Jika Yaghi tidak bangun pada dini hari untuk menyalakan keran untuk menyimpan air, keluarganya, sapi mereka, dan kebun mereka harus pergi tanpanya. Pada pertemuan minggu lalu di sini, di daerah lain yang haus akan air tawar, Yaghi, seorang ahli kimia di University of California, Berkeley, melaporkan bahwa ia dan rekan-rekannya telah menciptakan perangkat bertenaga surya yang dapat menyediakan air bagi jutaan orang dalam air. daerah yang tertekan. Pada intinya adalah bahan kristal berpori, yang dikenal sebagai kerangka logam-organik (MOF), yang bertindak seperti spons: Ini menghisap uap air keluar dari udara, bahkan di gurun, dan kemudian melepaskannya sebagai air cair.

“Ini adalah pekerjaan fantastis yang mengatasi masalah nyata,” kata Jorge Andrés Rodríguez Navarro, seorang ahli kimia MOF di Universitas Granada di Spanyol. Itu juga hanya satu contoh bagaimana MOF akhirnya bisa memasuki jajaran prima mereka. Yaghi dan koleganya mensintesis MOF pertama pada tahun 1995, dan ahli kimia telah menciptakan puluhan ribu struktur sejak saat itu. Masing-masing terdiri dari atom logam yang bertindak seperti hub dalam satu set Tinkertoy, dihubungkan ke jaringan berpori oleh penghubung organik yang dirancang untuk berpegang teguh pada hub dan menciptakan bukaan untuk menampung para tamu molekul. Dengan mencampur dan mencocokkan logam dan penghubung, para peneliti menemukan bahwa mereka dapat menyesuaikan pori-pori untuk menangkap molekul gas, seperti uap air dan karbon dioksida (CO2). “Kami dapat bermain game dengan memodifikasi ini dan tahu persis di mana setiap atom berada,” kata Amanda Morris, seorang peneliti MOF di Virginia Polytechnic Institute dan State University di Blacksburg. Tetapi karena banyak dari MOF awal mahal untuk dibuat dan terdegradasi dengan cepat, mereka tidak memenuhi semangat awal.

Dalam beberapa tahun terakhir, Yaghi dan pembuat MOF lainnya telah menemukan seperangkat aturan desain yang luas untuk membuat MOF lebih kuat. Lebih banyak logam yang bermuatan tinggi, misalnya, menciptakan ikatan yang lebih kuat yang tahan terhadap panas. Itu telah membuka fungsi seperti katalis rumahan, yang biasanya bekerja lebih cepat pada suhu tinggi. Peningkatan stabilitas lain terjadi ketika para peneliti belajar untuk menyesuaikan arsitektur untuk melindungi ikatan yang kurang stabil dalam MOF dari serangan oleh molekul yang terperangkap.

Akibatnya, aplikasi komersial mulai lepas landas. Satu laporan pasar baru-baru ini meramalkan bahwa penjualan MOF untuk aplikasi termasuk menyimpan dan mendeteksi gas akan meningkat hingga $ 410 juta per tahun selama 5 tahun ke depan, naik dari $ 70 juta tahun ini. “Sepuluh tahun yang lalu, MOFs menunjukkan harapan untuk banyak aplikasi,” kata Omar Farha, seorang kimiawan MOF di Northwestern University di Evanston, Illinois. “Sekarang, janji itu telah menjadi kenyataan.”

Pori-pori dalam MOF-303, kerangka logam-organik berbasis aluminium, dapat menangkap uap air dan melepaskannya sebagai cairan.

 F. FATHIEH, ET AL., SCI. ADV. 4, EAAT3198 (2018)

Salah satu aplikasi adalah Yaghi, yang ia harap akan membantu menyediakan air minum untuk sekitar sepertiga populasi dunia yang tinggal di wilayah yang tertekan air. Yaghi dan rekan-rekannya pertama kali mengembangkan MOF berbasis zirkonium pada tahun 2014 yang dapat memanen dan melepaskan air. Tetapi dengan harga $ 160 per kilogram, zirkonium terlalu mahal untuk penggunaan massal. Jadi, tahun lalu, timnya menemukan alternatif yang disebut MOF-303, berdasarkan aluminium, yang harganya hanya $ 3 per kilogram. Di gurun Arizona, Yaghi dan timnya menempatkan MOF mereka dalam wadah plastik kecil yang bening. Mereka membiarkannya terbuka di udara di malam hari, memungkinkan MOF untuk menyerap uap air. Mereka kemudian menutup wadah dan mengekspos MOF ke sinar matahari, yang mendorong air cair darinya — tetapi panen hanya sekitar 0,2 liter per kilogram MOF per hari.

Pada pertemuan minggu lalu dari American Chemical Society dan dalam ACS Central Science edisi 27 Agustus, Yaghi melaporkan bahwa timnya telah merancang pemanen air baru yang jauh lebih produktif. Dengan mengeksploitasi kemampuan MOF-303 untuk mengisi dan mengosongkan pori-porinya hanya dalam beberapa menit, tim dapat membuat perangkat baru menyelesaikan puluhan siklus setiap hari. Didukung oleh panel surya untuk memberi daya pada kipas dan pemanas, yang mempercepat siklus, perangkat ini menghasilkan hingga 1,3 liter air per kilogram MOF per hari dari udara gurun. Yaghi mengharapkan peningkatan lebih lanjut untuk meningkatkan angka itu menjadi 8 hingga 10 liter per hari. Tahun lalu, ia membentuk perusahaan bernama Water Harvesting yang pada musim gugur ini berencana untuk merilis perangkat berukuran microwave yang mampu menyediakan hingga 8 liter per hari. Perusahaan itu menjanjikan versi yang ditingkatkan tahun depan yang akan menghasilkan 22.500 liter per hari, cukup untuk memasok sebuah desa kecil. “Kami membuat perangkat seluler,” kata Yaghi. “Ini seperti mengambil telepon kabel dan membuat telepon nirkabel.”

Aplikasi Kemenkeu lainnya juga menjanjikan. Dalam ACS Applied Nano Materials edisi 25 Januari, Farha dan rekan-rekannya melaporkan menggunakan MOF untuk mendetoksifikasi senjata kimia. MOF terdiri dari kerangka berbasis lantanum yang dihubungkan dengan senyawa organik berbentuk cincin. Senyawa, yang disebut porphyrins, sebelumnya telah terbukti mahir menyerap cahaya dan menggunakan energi itu untuk mengubah molekul oksigen di udara menjadi bentuk reaktif yang dikenal sebagai oksigen singlet. Dalam studi tersebut, oksigen singlet pada gilirannya dapat memecah molekul sepupu molekul yang aman dari gas mustard baik di dalam maupun di luar pori-pori. Pada pertemuan di sini, kolega Farha di Northwestern, Joseph Hupp melaporkan bahwa ia dan rekan-rekannya telah memperluas ide dengan serangkaian MOF berbasis zirkonium, hafnium, dan cerium yang dapat mendetoksifikasi agen saraf seperti gas sarin. Lapisan tipis MOF pada masker dan seragam gas dapat membantu melindungi tentara dari paparan senjata kimia, kata Hupp. Farha dan yang lainnya juga merangkum enzim di dalam MOF, melindungi molekul yang rapuh dari lingkungan yang keras dan memungkinkan mereka untuk melakukan reaksi industri di luar sel. Dalam satu contoh, tim Farha melaporkan dalam Angewandte Chemie edisi 26 Maret bahwa enzim yang dikurung oleh MOF yang disebut formate dehydrogenase dapat mengubah CO2 menjadi asam format, bahan kimia industri yang umum, lebih dari tiga kali laju enzim yang tidak dikunci, dan di bawah kondisi yang lebih hijau daripada asam format biasanya dibuat. Pada pertemuan itu, Thomas Rayder, seorang mahasiswa pascasarjana di Boston College, melaporkan gagasan itu. Dia merangkum sepasang katalis mirip enzim dalam MOF berbasis zirkonium untuk mendorong serangkaian reaksi yang mengubah gas CO2 menjadi metanol, bahan bakar cair.

Ketika mereka tidak dilindungi oleh MOF, Rayder menemukan, kedua katalis tidak menghasilkan metanol karena mereka dengan cepat dinonaktifkan, kemungkinan dengan bereaksi satu sama lain. Tetapi dengan aman berlindung di MOF, mereka dapat membuat metanol pada suhu dan tekanan jauh di bawah yang digunakan di pabrik metanol yang ada, menawarkan cara yang berpotensi lebih murah dan lebih hijau untuk membuat bahan bakar.

Rayder dan lainnya masih perlu menunjukkan bahwa ini dan MOF lainnya dapat diproduksi dengan murah dalam skala besar. Setiap MOF komersial potensial perlu membuktikan dirinya dalam stabilitas, efisiensi, dan masa hidup. Tetapi jika MOF dapat lulus tes tersebut, mereka dapat menawarkan kerangka kerja untuk mengatasi beberapa masalah paling mendesak di dunia.

Sumber : science