KTU mokslininko tyrimas: kodėl Nobelio premijos lygio medžiagos nepasiekia pramonės

Anglies dioksido perteklius atmosferoje, užterštas vanduo ir vis griežtėjantys aplinkosaugos reikalavimai verčia ieškoti medžiagų, galinčių efektyviai sulaikyti teršalus molekuliniame lygmenyje. Būtent dėl šios priežasties mokslininkų dėmesys jau daugiau nei du dešimtmečius krypsta į metalo–organinius karkasus – itin pažangias porėtas medžiagas, laikomas vienomis perspektyviausių, galinčių prisidėti prie klimato kaitos ir taršos mažinimo sprendimų.

Jų reikšmė moksle buvo įvertinta 2025 metais, kai Nobelio chemijos premija skirta metalo–organinių karkasų kūrėjams. Tačiau nepaisant tokio pripažinimo ir išskirtinių savybių, metalo–organiniai karkasai dėl sudėtingos gamybos ir neprognozuojamų kaštų iki šiol beveik nenaudojami pramonėje.

Būtent šią – didelio mokslinio potencialo ir riboto praktinio taikymo – spragą savo tyrime nagrinėja Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkas dr. Samy Yousef, modeliuodamas, kaip Nobelio premiją kūrėjams pelniusias medžiagas būtų galima patikimai ir nuosekliai gaminti pramoniniu būdu.

Nuo oro valymo iki vandens filtrų – panaudojimas platus

Metalo–organiniai karkasai yra porėtos kristalinės medžiagos, sukuriamos sujungiant metalo jonus su organinėmis molekulėmis į itin tvarkingas trimates struktūras. Tokia sandara leidžia tiksliai valdyti porų dydį ir chemines savybes, todėl šios medžiagos gali būti pritaikomos labai konkretiems technologiniams tikslams.

Dėl gebėjimo veikti molekuliniu lygmeniu, metalo–organiniai karkasai laikomi ypač perspektyviais sprendžiant taršos ir klimato kaitos problemas. Tačiau jų potencialas neapsiriboja vien aplinkosauga – priklausomai nuo struktūros ir sudėties, šios medžiagos gali būti pritaikomos ir kitose srityse.

„Be aplinkosauginių taikymų, metalo–organiniai karkasai taip pat laikomi perspektyviomis platformomis optiniams jutikliams, vaistų veikimui organizme valdyti, biomedicininėms technologijoms ir antioksidantams“, – pažymi KTU mokslininkas.

Platus galimų taikymų spektras ir galimybė pritaikyti medžiagas konkrečioms užduotims yra viena pagrindinių priežasčių, kodėl metalo–organiniai karkasai jau daugiau nei du dešimtmečius išlieka intensyvių mokslinių tyrimų centre.

Pažangios medžiagos vis dar stringa laboratorijose

„Laboratorijose neatsižvelgiama į daugelį pramonėje svarbių aspektų, ypač antrinių atliekų tvarkymą, tirpiklių regeneravimą bei gamybos procesų seką ir integraciją“, – sako S. Yousef.

Būtent dėl šių veiksnių metalo–organiniai karkasai iki šiol dažniausiai gaminami mažais kiekiais ir naudojami moksliniuose tyrimuose ar specializuotuose sprendimuose.

Remdamasis laboratorijose naudojamų procesų seka, KTU mokslininkas suprojektavo integruotas gamybos linijas, skirtas metalo–organinių karkasų gamybai pramoniniu mastu. Šiam tikslui buvo parinkta reali rinkoje prieinama pramoninė įranga, įvertinti atskiri gamybos etapai, jų tarpusavio integracija ir gamybos pajėgumai.

Atliekant analizę buvo detaliai vertinamos žaliavų, cheminių medžiagų ir elektros energijos sąnaudos, taip pat darbo kaštai. Skaičiavimai atlikti atsižvelgiant į Lietuvoje galiojančias ekonomines ir teisines sąlygas, todėl tyrimo rezultatai leidžia realistiškai įvertinti, ar tokios gamybos linijos galėtų veikti praktikoje.

Tyrimas parodė, kad, priklausomai nuo pasirinkto gamybos metodo, metalo–organinių karkasų pramoninė gamyba gali būti finansiškai naudinga, o investicijos į tokias gamybos linijas – atsipirkti per palyginti trumpą laiką.

„Manau, kad per kelerius metus galėsime matyti pilnai veikiančias gamybos linijas, kurių pajėgumas sieks kelias tonas“, – prognozuoja dr. S. Yousef. Tokiu atveju metalo–organiniai karkasai galėtų būti naudojami net kasdienėse technologijose, nors ir netiesiogiai.

„Žmonės greičiausiai susidurtų su šiomis medžiagomis kasdieniuose įrenginiuose, tokiuose kaip oro valytuvai, pastatų vėdinimo sistemos ar vandens filtrai, kur didelis karkasų paviršiaus plotas leidžia itin efektyviai sulaikyti teršalus ir toksinus. Daugeliu atvejų metalo–organiniai karkasai veiktų nepastebimai, gerindami veikimą, efektyvumą ir tvarumą“, – sako KTU mokslininkas.

Straipsnį „Techno-economic assessment of scale-up of metal-organic framework production“ galima rasti čia.