金屬有機框架（MOF），是由有機配體和金屬離子或團簇，通過配位鍵自組裝形成的具有分子內(nèi)孔隙的有機-無機雜化材料。

MOF的分子結(jié)構(gòu)（圖片來源：TonyBoehleWikimedia）

MOF是一種令人難以置信的多功能、超多孔的納米材料，可用于存儲、分離、釋放或者保護幾乎所有的東西。MOF具有以下重要特性：多孔性及表面積大、結(jié)構(gòu)和功能多樣性、不飽和金屬位點。這些特性使它具有強大的吸附功能和催化功能。

MOF預(yù)計將成為定義21世紀(jì)的材料。它非常適合感知與捕捉微量濃度的物質(zhì)，凈化水或空氣；也可以存儲大量能量，制造更好的電池以及能量存儲器件。

由MOF材料做成的水分采集裝置（圖片來源：HyunhoKim/麻省理工學(xué)院）

科學(xué)家們設(shè)計了超過8萬8千種精準(zhǔn)定制的MOF，應(yīng)用范圍包含從農(nóng)業(yè)到藥物的各個領(lǐng)域。但是，制造MOF的傳統(tǒng)工藝是環(huán)境上不可持續(xù)的，并且需要花費幾小時甚至幾天的時間。

創(chuàng)新

近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMITUniversity）的研究人員向我們演示了一項綠色潔凈的技術(shù)，該技術(shù)可以在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)出定制的MOF。相關(guān)論文發(fā)表在《自然通信（NatureCommunications）》期刊上。

論文領(lǐng)導(dǎo)作者赫伯·艾哈邁德（HebaAhmed）表示，這種高效且可擴展的方法利用了高頻聲波的精準(zhǔn)能力。

赫伯·艾哈邁德博士手持由高頻聲波創(chuàng)造出的MOF（圖片來源：RMIT）

技術(shù)

金屬有機框架是充滿分子尺寸的微洞的晶體粉末。它們擁有獨特的結(jié)構(gòu)（金屬通過有機聯(lián)接橋相互連接），并且具有非常多的孔，以至于如果你拿起一克MOF，將其內(nèi)表面鋪開，其面積將比一個足球場更大。

某種MOF的原理圖。圖中線條是有機連接橋，交叉點是金屬離子。黃球代表孔隙空間，可充滿液體或氣體。（圖片來源：伯克利實驗室）

有些人預(yù)測，MOF對于21世紀(jì)的重要性，如同塑料對于20世紀(jì)的重要性。

在標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)過程中，溶劑與其他污染物陷入MOF的洞中。為了將它們從洞中排出來，科學(xué)家們在一個稱為“活化”的過程中，使用了真空和高溫的結(jié)合或者有害化學(xué)溶劑。

在新技術(shù)中，皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員采用了微芯片以制造高頻聲波。論文合著者之一、聲學(xué)專家阿姆賈德·瑞史克（AmgadRezk）博士表示，這些聲波對于人類來說是無法聽到的，可以用于精準(zhǔn)的微納制造。

瑞史克表示：“在納米級別，聲波是原子和分子進行精準(zhǔn)排序和操控的強大工具。”

MOF的“成分”（一個金屬前體以及一個綁定的有機分子），被暴露于微芯片產(chǎn)生的聲波中。

研究人員采用聲波將這些元素組織和連接到一起，創(chuàng)造出一種高度有序且多孔的網(wǎng)絡(luò)，同時將這些溶劑從洞中排出來以“活化”MOF。

首席研究研究員、特聘教授萊斯利·葉（LeslieYeo）表示，這種新方法制造出具有空洞和大表面積的MOF，無需合成后的“活化”。

皇家墨爾本理工大學(xué)微/納物理學(xué)研究實驗室主任、化工系的葉教授表示：“現(xiàn)有技術(shù)從合成到活化通常需要花費很長時間，而我們的技術(shù)不僅幾分鐘內(nèi)就可以生產(chǎn)出MOF，而且它們是已激活的，并能直接應(yīng)用。”

聲學(xué)方式制造的MOF，利用微芯片制造高頻聲波。（圖片來源：RMIT）

研究人員通過可擴展應(yīng)用于其他MOF以及高效綠色地生產(chǎn)這些智能材料的技術(shù)，在基于銅和鐵的MOF上成功地測試了這個方案。

價值

皇家墨爾本理工大學(xué)微/納物理學(xué)研究實驗室的博士后研究員艾哈邁德表示：“MOF具有無限的潛能，但是我們需要更加潔凈和快速的合成技術(shù)，從而充分利用他們的所有優(yōu)勢。”

“我們的聲學(xué)驅(qū)動方法避免了傳統(tǒng)方法所帶來的環(huán)境危害，并能快速、可持續(xù)地制造隨時可用的MOF。”

“這項技術(shù)不僅消除了制造MOF過程中最耗時的步驟，而且不留痕跡，可以經(jīng)過簡單擴展后進行高效量產(chǎn)。”