Kovově-organické sítě (MOF: metal-organic frameworks) – oceněné Nobelovou cenou za chemii v roce 2025 – jsou uměle připravené krystaly s mimořádně vysokou pórovitostí. Jediný gram může mít povrch srovnatelný s fotbalovým hřištěm. Nejlepší dosud vyvinuté MOF dosahují vnitřního povrchu přes 7 000 m² na jediný gram, zatímco standardní fotbalové hřiště měří přibližně 7 140 m². Aktuální rekord drží MOF na bázi zirkonu DUT-60 (Dresden University of Technology). Tento materiál má vnitřní povrch 7 839 m²/g a využívá se především pro skladování plynů, například vodíku nebo metanu.

MOF krystaly se skládají z klastrů kovů koordinovaných organickými ligandy, které společně vytvářejí jedno-, dvou- nebo trojrozměrné struktury. Příkladem je materiál MIL-101 na následujícím obrázku.

MOF materiály s různými strukturami a chemickým složením dnes vědci testují v široké škále aplikací, například:

• Skladování a separace plynů: ukládání vodíku nebo metanu pro alternativní pohon, odchyt CO₂ z atmosféry či průmyslových emisí nebo separace plynných směsí.
• Katalýza: MOF fungují jako nosiče katalyzátorů nebo samy katalyzují chemické reakce, například při výrobě léčiv či paliv.
• Medicína a doručování léčiv: nanočástice MOF mohou sloužit jako „kontejnery“ pro léčiva, která se řízeně uvolňují přímo v cílovém místě v těle. Zkoumá se také jejich využití v zobrazovacích metodách (např. MRI kontrastní látky).
• Čištění vody: adsorpce těžkých kovů, pesticidů a dalších polutantů z vody. Některé MOF dokážou zachytit i radioaktivní prvky.
• Senzory: MOF mění své optické nebo elektrické vlastnosti při kontaktu s konkrétní molekulou, což umožňuje detekci výbušnin, toxinů, vlhkosti nebo biomarkerů nemocí.
• Energetika: superkondenzátory, baterie a palivové články – MOF jako elektrodové materiály nebo separátory.
• Získávání vody ze vzduchu: některé MOF absorbují vzdušnou vlhkost i v pouštních podmínkách a po zahřátí (např. slunečním zářením) vodu uvolní.
• Elektronika a optika: vodivé MOF pro tenkovrstvé tranzistory, luminiscenční MOF pro LED nebo bezpečnostní inkousty.

Sestrojit a stabilně uchovat tyto molekulární zázraky však představuje pouze polovinu výzvy. MOF jsou často strukturálně křehké a při praktickém použití může docházet ke kolapsu jejich pórů. Druhou polovinou výzvy je prokázat, že skutečně fungují – a hlavně pochopit jak.

Nano-FTIR spektroskopie přináší právě tuto možnost. Dokáže proniknout hluboko do pórových dutin s rozlišením pod 20 nm a potvrdit, že hostitelské molekuly jsou skutečně zachyceny uvnitř struktury, nikoli pouze adsorbované na jejím povrchu.

Tam, kde končí inovační design oceněný Nobelovou cenou, přebírají štafetu přístroje řady neaSCOPE.

Prokázání enkapsulace v nanoměřítku

Jedna ze základních otázek výzkumu MOF – zda jsou zachycené molekuly skutečně stabilně uvnitř struktury, nebo pouze ulpívají na jejím povrchu – byla poprvé zodpovězena pomocí nano-FTIR přímo na jednotlivých krystalech. Díky analýze vibračních „otisků prstů“ s prostorovým rozlišením okolo 20 nm výzkumníci jednoznačně potvrdili, že fluorofory RhB jsou enkapsulovány uvnitř MOF materiálů ZIF-8 a UiO-66.

Více informací najdete zde.

MOF jako enzymatické nanofarmy

Vícevrstvé MOF (multi-shelled) netvoří pouze jednu slupku, ale několik soustředných vrstev oddělených prázdnými prostory – podobně jako vrstvy cibule nebo ruská matrjoška v nanoměřítku. To umožňuje jejich konstrukci tak, aby jednotlivé vrstvy oddělovaly vzájemně neslučitelné enzymy podobně, jako to funguje v biologických buňkách. MOF přitom sám nereaguje; pouze drží enzymy na jednom místě a organizuje je v prostoru:

• vnější slupka: enzym č. 1 přemění vstupní látku na meziprodukt
• střední slupka: enzym č. 2 meziprodukt dále zpracuje
• vnitřní slupka: enzym č. 3 dokončí reakci

Meziprodukt tak nemusí „plavat“ v roztoku a hledat další enzym – je okamžitě zachycen sousední vrstvou. Díky tomu může být reakce až 13× rychlejší než při použití stejných enzymů volně rozptýlených v roztoku.

Nano-FTIR umožňuje tento proces přímo ověřit: chemicky mapovat jednotlivé enzymatické vrstvy v rámci jediné nanočástice a potvrdit kaskádové uspořádání, které přináší přibližně 5,8–13,5násobné zvýšení katalytické účinnosti oproti volným enzymům.

Více informací najdete zde.