Kenali MOFs: Sains di Sebalik Kerangka Logam Organik

Penulis: ¹ChM. Dr. Teh Lee Peng & ²Siva Rubini Devi A/P Raveendran
¹‘²Jabatan Sains Kimia, Fakulti Sains dan Teknologi, Universiti Kebangsaan Malaysia

Apakah itu MOFs?

Kerangka Logam Organik atau ringkasnya MOFs, merupakan sejenis bahan berliang yang terbentuk daripada gabungan ion logam dan ligan organik, disusun rapi melalui ikatan koordinasi (Ahmadijokani et al. 2022). Struktur berliang ini boleh memiliki luas permukaan sehingga 10,000 m²/g iaitu lebih luas daripada satu padang bola hanya dalam satu gram bahan. Bayangkan sebuah span yang begitu kecil sehingga tidak dapat terlihat dengan mata kasar namun mampu menjalankan tugas luar biasa seperti membersihkan udara, menyimpan tenaga, dan menghantar ubat terus ke dalam badan manusia. Struktur unik dan fleksibel ini menjadikan MOFs antara bahan paling menarik dalam dunia sains moden. Konsep MOF pertama kali diketengahkan pada akhir 1990-an oleh Profesor Omar M. Yaghi, seorang ahli kimia terkenal yang dianggap sebagai perintis dalam bidang ini. Beliau dan pasukannya berjaya mensintesis MOF-5, salah satu struktur MOF awal yang membuka jalan kepada ribuan variasi lain. Sejak itu, kajian tentang MOF berkembang pesat dan telah menghasilkan pelbagai jenis struktur berbeza di seluruh dunia.

Bagaimana MOF dicipta?

MOF dibina daripada dua komponen utama iaitu ion logam dan ligan organik. Ion logam seperti zirkonium, kuprum, atau zink berfungsi sebagai ’nod’ atau titik sambungan utama. Sementara itu, ligan organik, kebiasaannya adalah molekul berasaskan karbon yang bertindak sebagai jambatan yang menghubungkan logam-logam ini (Sharanyakanth et al. 2020; Xiang et al. 2020). Apabila kedua-dua komponen ini bercantum melalui ikatan koordinasi, ia membentuk satu rangka kristal tiga dimensi yang teratur, dengan ruang-ruang berliang di antara struktur tersebut. Rangka berliang inilah yang membolehkan MOF menjerap, menapis dan menyimpan molekul gas dan cecair dengan saiz tertentu berdasarkan bentuk dan saiz liang. Proses sintesis ini lazimnya dijalankan melalui kaedah solvoterma, iaitu campuran logam dan ligan dipanaskan dalam pelarut tertutup (seperti dalam autoklaf) untuk menghasilkan hablur MOF yang stabil.

Kenapa MOF Begitu Istimewa?

Apa yang menjadikan MOF begitu luar biasa ialah struktur berliangnya yang unik  seperti span, tetapi di peringkat nano. Walaupun dalam jumlah yang sangat kecil, MOF mempunyai kawasan permukaan yang sangat luas. Ini bermakna MOF mampu menjerap atau menyimpan sejumlah besar gas, cecair, atau bahan kimia. Salah satu aspek paling menakjubkan tentang MOFs ialah sifatnya yang boleh direka bentuk mengikut keperluan tertentu. Mahukan MOF yang hanya menangkap CO₂? Ia boleh dibina. Perlu MOF yang stabil atau tahan haba? Struktur boleh diubahsuai. Kini terdapat lebih daripada 100,000 jenis MOFs yang telah dikenal pasti oleh saintis. Fleksibiliti luar biasa ini menjadikan MOFs sangat berguna untuk pelbagai aplikasi.

Kegunaan MOFs

Keajaiban MOFs terletak pada keupayaannya untuk menyimpan dan memisahkan molekul gas dan cecair dengan ketepatan yang luar biasa. Berikut adalah beberapa contoh bagaimana MOFs boleh dimanfaatkan:

• Pemerangkapan Karbon Dioksida

Salah satu cabaran paling mendesak hari ini ialah pemanasan global, yang sebahagian besarnya berpunca daripada peningkatan gas karbon dioksida (CO₂) di atmosfera. MOFs boleh bertindak sebagai perangkap molekul, menjerap CO₂ sebelum ia dilepaskan ke udara  Bayangkan span mikro yang diletakkan di atas cerobong kilang dimana MOF mampu menangkap molekul CO₂ dan menyimpannya. Lebih menarik, MOFs boleh direka bentuk untuk menjerap hanya CO₂ dan mengabaikan gas lain seperti nitrogen atau metana. Keupayaan memilih ini menjadikan MOFs jauh lebih cekap daripada bahan tradisional.

• Penyimpanan Tenaga

Dalam usaha global mencari bahan api yang lebih bersih, hidrogen dan metana menjadi pilihan utama. Kedua-dua membakar dengan lebih bersih berbanding petrol atau arang batu di mana hidrogen tidak menghasilkan karbon dioksida langsung manakala metana menghasilkan kurang CO₂ per unit tenaga. Namun, penyimpanan kedua-dua gas ini secara selamat dan efisien masih menjadi cabaran besar. Di sinilah MOFs memainkan peranan penting. Struktur berliang MOFs membolehkannya menyimpan sejumlah besar gas dalam ruang yang sangat kecil.

• Penghantaran Ubat

MOFs juga mencipta impak dalam bidang perubatan. Salah satu cabaran dalam rawatan ialah bagaimana untuk menghantar ubat terus ke lokasi sasaran, seperti sel kanser, tanpa menjejaskan bahagian lain dalam badan. MOFs boleh digunakan untuk penghantaran pintar, di mana ia membawa molekul ubat di dalam liang dan melepaskannya hanya apabila tiba di lokasi tertentu. Kaedah ini boleh menjadikan rawatan lebih berkesan dan mengurangkan kesan sampingan terhadap pesakit.

• Penapisan Air dan Udara

Sesetengah MOFs mampu menangkap bahan toksik, seperti logam berat, pewarna industri, atau bahan cemar udara, menjadikannya sesuai untuk penulenan air dan udara. Sebagai contoh, saintis sedang membangunkan MOFs untuk penyingkiran ion logam berat seperti plumbum (Pb²⁺), merkuri (Hg²⁺), arsenik (As³⁺), dan kadmium (Cd²⁺) atau menjerap gas-gas toksik seperti sulfur dioksida (SO₂), nitrogen dioksida (NO₂), dan ammonia (NH₃).

Cabaran dan Masa Depan MOF

Walaupun MOF mempunyai potensi luar biasa, terdapat beberapa cabaran yang masih perlu diatasi seperti yang dijelaskan (Teo et al. 2021):

1. Sintesis MOF masih menghadapi pelbagai cabaran, terutamanya apabila ingin menghasilkan bahan ini secara besar-besaran untuk kegunaan industri. Salah satu cabaran utama ialah kebolehulangan dan penskalaan sintesis. Kebanyakan MOF hanya boleh disintesis dalam keadaan makmal yang sangat terkawal, seperti suhu tertentu, pelarut khas, dan masa tindak balas yang tepat. Apabila cuba ditingkatkan ke skala industri, struktur kristal yang dihasilkan sering kali tidak konsisten.
2. Kos bahan mentah dan pelarut yang tinggi juga menjadi halangan. Beberapa MOF menggunakan logam-logam yang mahal seperti zirkonium, serta pelarut organik toksik seperti DMF (dimetilformamida), yang tidak sesuai untuk aplikasi mesra alam. Oleh itu, penyelidik kini giat membangunkan kaedah sintesis yang lebih murah dan mesra alam, seperti penggunaan air sebagai pelarut atau sintesis mekanokimia tanpa pelarut.
3. Ketahanan MOF terhadap air, kelembapan, suhu tinggi dan bahan kimia masih menjadi isu. Sesetengah MOF mudah terurai apabila terdedah kepada persekitaran yang mencabar menyebabkan prestasinya merosot. Oleh itu, penyelidik di seluruh dunia sedang giat mencari cara untuk menghasilkan MOF yang lebih stabil, mampan, dan mesra alam.

MOFs mungkin kedengaran rumit, tetapi pada asasnya ia adalah mudah. Ia merupakan bahan berliang mikro dengan potensi luar biasa. Ia bukan sekadar penemuan saintifik, tetapi ia menawarkan harapan sebenar untuk menyelesaikan cabaran terbesar manusia, seperti perubahan iklim, tenaga bersih, dan rawatan perubatan.  Dengan kemajuan sains bahan, MOFs mungkin menjadi tulang belakang kepada teknologi masa hadapan dalam menangani krisis global seperti perubahan iklim dan kekurangan sumber.

Foto kredit-chemistryworld[dot]com

Rujukan

Ahmadijokani, F., Molavi, H., Rezakazemi, M., Tajahmadi, S., Bahi, A., Ko, F., Aminabhavi, T. M., Li, J.-R. & Arjmand, M. 2022. UiO-66 Metal–Organic Frameworks in Water Treatment: A Critical Review. Progress in Materials Science 125(100904).

Sharanyakanth, P. & Radhakrishnan, M. 2020. Synthesis of Metal-Organic Frameworks (MOFs) and Its Application in Food Packaging: A Critical Review. Trends in Food Science & Technology 104(102-116).

Teo, W. L., Zhou, W., Qian, C. & Zhao, Y. 2021. Industrializing Metal–Organic Frameworks: Scalable Synthetic Means and Their Transformation into Functional Materials. Materials Today 47(170-186).

Xiang, W., Ren, J., Chen, S., Shen, C., Chen, Y., Zhang, M. & Liu, C.-J. 2020. The Metal–Organic Framework UiO-66 with Missing-Linker Defects: A Highly Active Catalyst for Carbon Dioxide Cycloaddition. Applied Energy 277(115560).