Jų reikšmė fundamentiniam mokslui buvo įtvirtinta 2025 metais, kai Nobelio chemijos premija skirta šių medžiagų kūrėjams. Vis dėlto, nepaisant tarptautinio pripažinimo ir išskirtinių savybių, metalo–organiniai karkasai iki šiol retai taikomi pramonėje – tam kliudo sudėtingi sintezės procesai ir sunkiai prognozuojami gamybos kaštai.

Šią atotrūkio tarp mokslo ir praktikos problemą nagrinėja Kauno technologijos universitetas mokslininkas dr. Samy Yousef, modeliuodamas, kaip Nobelio premija įvertintas medžiagas būtų galima patikimai ir ekonomiškai gaminti pramoniniu mastu.

Nuo CO₂ surinkimo iki biomedicinos: platus taikymo spektras

Metalo–organiniai karkasai formuojami jungiant metalo jonus su organinėmis molekulėmis į itin tvarkingas trimates struktūras. Tokia architektūra leidžia tiksliai kontroliuoti porų dydį, paviršiaus plotą ir chemines savybes. Dėl šios priežasties medžiagas galima „sukonfigūruoti“ konkrečioms technologinėms užduotims.

Aplinkosaugos srityje jos vertinamos kaip itin selektyvūs molekuliniai filtrai, tinkami anglies dioksido surinkimui, dujų kaupimui, nuotekų valymui, medžiagų atskyrimui bei kataliziniams procesams. Gebėjimas selektyviai adsorbuoti tam tikras molekules leidžia efektyviau šalinti teršalus tiek iš oro, tiek iš vandens.

Vis dėlto potencialas neapsiriboja vien klimato kaitos švelninimu. Priklausomai nuo struktūros ir cheminės sudėties, metalo–organiniai karkasai gali būti taikomi optiniuose jutikliuose, vaistų pernašos ir kontroliuojamo atpalaidavimo sistemose, biomedicininėse technologijose ar net kuriant antioksidacines medžiagas. Būtent struktūrinis lankstumas ir galimybė tiksliai pritaikyti savybes konkrečiai funkcijai lemia, kad ši medžiagų klasė išlieka viena dinamiškiausių šiuolaikinės medžiagotyros krypčių.

Kodėl pažangios medžiagos vis dar lieka laboratorijose?

Nepaisant įspūdingų charakteristikų, metalo–organiniai karkasai dažniausiai gaminami nedideliais kiekiais ir naudojami moksliniuose tyrimuose ar nišinėse technologijose. Viena pagrindinių priežasčių – laboratoriniuose eksperimentuose nepakankamai įvertinami pramonei kritiniai aspektai: antrinių atliekų tvarkymas, tirpiklių regeneravimas, procesų nuoseklumas ir integracija į esamas gamybos grandines.

Spręsdamas šią problemą, KTU mokslininkas, remdamasis laboratorinėmis sintezės schemomis, suprojektavo integruotas metalo–organinių karkasų gamybos linijas, orientuotas į pramoninį mastą. Modeliuojant buvo pasirinkta realiai rinkoje prieinama įranga, įvertinti atskiri technologiniai etapai, jų tarpusavio suderinamumas bei galimi gamybos pajėgumai.

Analizė apėmė žaliavų, reagentų, elektros energijos ir darbo sąnaudas. Skaičiavimai atlikti atsižvelgiant į Lietuvoje galiojančias ekonomines ir teisines sąlygas, todėl rezultatai leidžia realistiškai įvertinti tokios gamybos komercinį gyvybingumą.

Tyrimas parodė, kad, pasirinkus tinkamą sintezės metodą ir optimizavus procesų integraciją, metalo–organinių karkasų gamyba gali būti finansiškai pagrįsta, o investicijos į gamybos linijas atsipirkti per santykinai trumpą laikotarpį. Prognozuojama, kad artimiausiais metais galėtų atsirasti pilnai veikiančios linijos, kurių pajėgumas siektų kelias tonas produkcijos per metus.

Tokiu atveju metalo–organiniai karkasai iš laboratorijų persikeltų į kasdienes technologijas. Vartotojai su jais susidurtų netiesiogiai – oro valytuvuose, pastatų vėdinimo sistemose ar vandens filtravimo įrenginiuose. Dėl itin didelio paviršiaus ploto ir selektyvumo šios medžiagos galėtų nepastebimai didinti įrenginių efektyvumą, mažinti energijos sąnaudas ir prisidėti prie tvaresnės aplinkos kūrimo.