本Valsler
本周，卡特里娜Krämer将关注一种多用途材料，这种材料与其说是物质，不如说是空洞，并与该领域的先驱之一交谈。
卡特里娜克莱默
化学家通常对存在的东西感兴趣，而不是不存在的东西:它们都是关于哪些原子以何种方式连接，以及它们如何与光、其他原子甚至生物系统等事物相互作用。但当涉及到多孔材料时，我们更关心的是原子之间的空间，而不是原子本身。
从历史上看，当需要一种吸水性的多孔材料时——比如分解石油化工产品、从水中去除钙或作为猫砂——化学家们会选择沸石。这些铝硅酸盐晶体，发现于1756年，在长达100多年的时间里一直保持着最多孔材料的记录，直到20世纪末，这一记录才被彻底打破。
1999年，研究人员证明了一种名为MOF-5的神奇材料，这种材料在几年前才首次被制造出来，其内表面积是最多孔的沸石的三倍多。如果有可能展开MOF-5，不到两克就足以覆盖白宫132个房间和35个浴室的几乎所有地板空间——超过5000平方米。
MOF-5是第一批被称为金属有机框架的新型配位聚合物之一:由金属离子或金属离子簇(“节点”)组成的结晶大分子，由有机分子制成的“支柱”连接。
加州大学伯克利分校的Omar Yaghi是MOF的先驱，他从一开始就研究多孔化合物，他认为MOF吸引化学家的地方在于它允许他们在分子水平上控制物质。
奥马尔Yaghi
MOFs是一个很好的例子，说明了如何将有机和无机分子，通过强键连接在一起，形成框架，不仅能控制这些连接的强度，还能控制含金属实体的组成，我们称之为次级建筑单元，或SBU。它们可以由多种金属制成。几乎元素周期表中的任何过渡金属都可以用于这些实体。当然还有有机物，有机物可以是多种多样的，不仅仅是几何形状和连通性也包括我们可以在这些实体上放置的官能团。
所以它把设计的思想带到了固体化学的最前沿，也带到了一般化学的最前沿。
卡特里娜克莱默
在激发了化学家的想象力之后，研究人员在接下来的20年里创造了2万多种不同的框架。每年大约有1000篇研究论文发表，化学家们对mof的热爱似乎没有尽头。考虑到这些多孔材料有很大的前景:从储存氢气和从空气中剥离二氧化碳到感应化学武器和催化反应，这可能并不令人惊讶。
研究人员一直在吹捧天然气甲烷是未来的燃料，它比汽油便宜，对环境造成毁灭性变化的可能性也小得多。天然气的问题在于，它是一种气体。如果冷却到足够的程度，气体可以被压缩甚至液化，但这些过程都是能源密集型的，而且一个沉重的、绝缘的冷冻箱不适合放在汽车里。MOF可能是这个棘手问题的解决方案——尽管乍一看违反直觉，但由于材料的巨大表面积，充满MOF的油箱实际上可以比空油箱容纳更多的气体。这使得MOFs能够使气体分子彼此更接近，而不是在环境压力下。
奥马尔Yaghi
储存或压缩燃料箱大小的甲烷并保持所需的行驶里程并不容易。所以MOFs做得很好。我们可以设计出MOF，它可以储存两到三倍于你在没有MOF的油箱里储存的量。
这是我们与巴斯夫共同追求的一项重大发展，并已准备好实现商业化。
卡特里娜克莱默
虽然一些MOFs承诺解决我们未来的燃料问题，但其他MOFs可能能够弥补过去的错误。研究人员预测，即使全人类明天停止生产二氧化碳，大气中已经存在的温室气体的气候变化潜力也只能通过捕获来阻止。事实证明，带有定制孔的MOFs在捕获二氧化碳方面非常出色，美国能源部已将这种材料确定为最有前途的技术之一——尽管任何材料商业化可能还需要几十年时间。
虽然MOFs可能能够解决一些大规模的问题，但小规模实验室化学家不应该错过他们在瑞士奶酪样材料套件中的惊人能力。修改材料内部结构，使金属原子与宿主分子结合，可以使MOFs成为数千种反应的完美催化剂。
奥马尔Yaghi
慢慢地，人们回过头来修改内部结构，使催化性能变得越来越好。我对这个应用感到非常兴奋因为很长一段时间以来在酶和分子的选择性和多相催化剂之间存在着鸿沟，比如说金属氧化物多相催化剂它们非常稳定但选择性和可修改性不如分子和酶。因此，我们认为MOFs可以弥补这一差距，不仅在不同的pH条件下提供稳定的催化剂，而且可以对它们进行修饰，使它们具有酶的选择性。
卡特里娜克莱默
但首先，化学家们需要学会如何修饰这些大分子晶体。研究人员现在开始改变框架，而不是合成不同的构建模块，然后把它们放在一个MOF中，这个过程被称为后合成修饰。最终，一系列金属原子和官能团可以被放入框架的单个孔中，使化合物通过一系列化学转化或编码信息，如合成DNA链。
奥马尔Yaghi
所以化学修饰框架就像你修饰有机分子或无机复合物一样但现在你做的是一个更大的规模。几乎是一个宏观尺度- MOFs晶体是宏观的。这就产生了我所说的“框架化学”。我们习惯了分子的化学或者分子化学，但我们不习惯把分子看作是扩展的框架，宏观的物体。这是一个巨大的发展，不仅仅是因为可以应用于功能化框架的精度，我们作为化学家用于分子化学的精度现在可以应用于框架，而且现在人们可以通过设计获得许多特性。所以这将会不断发展，变得越来越好
卡特里娜克莱默
虽然这些类型的mof目前是化学梦想的东西，但空洞的框架已经证明了它们是所有行业的万事通和许多行业的大师。当然，看起来化学家们不会在短时间内耗尽用mof制造什么的想法。
本Valsler
Katrina Krämer，和Omar Yaghi谈论金属有机框架的潜力。下周，迈克尔·弗里曼特尔将发现一系列令人愉悦和鼓舞的化合物。
迈克尔Freemantle
例如，夏洛特Brontë，在她的小说中《简爱》，指的是“秋天凝固的遗迹，被过去的风吹成一堆，现在又凝固在一起的赤褐色树叶。”简·奥斯汀在她的小说中写道说服关于:“黄褐色树叶上这一年最后的微笑”，以及“现存的关于秋天的千百种诗意描述”。
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