Lovande material fångar vatten ur ökenluft

Klimatförändringar och ökad befolkning gör att allt fler människor har begränsad tillgång till vatten. Enligt FN kommer antalet att öka från dagens 3,6 miljarder till 5 miljarder år 2050.

En av de lösningar som testas är att fånga vatten ur luften. Ett lovande material för att suga upp vattenmolekyler, även i ökenklimat, är så kallade metallorganiska ramverksföreningar, MOF:ar.

En MOF är ett fast, poröst ämne uppbyggt av metalljoner som länkas ihop med organiska molekyler till ett nätverk. Tack vare den luftiga strukturen finns det gott om hålrum och ytor där andra molekyler, i det här fallet vatten, kan slinka in och lagras.

Problemet är att det krävs förhållandevis mycket energi i form av värme för att få ut vattnet igen.

I senaste numret av Science har amerikanska och tyska forskare lyckats få en MOF att släppa vattenmolekylerna vid 10 grader lägre temperatur än tidigare. Tricket var att först studera i detalj hur vattenmolekylerna en efter en band till nätverket. Sedan modifierades en del av länkarna så att vattnet lättare kunde lossna.

– Det är första gången någon har gjort en så detaljerad studie av en MOF på molekylnivå, säger Lars Öhrström, professor i oorganisk kemi på Chalmers.

På uppdrag av det amerikanska kemisamfundet har han tillsammans med Chalmers-kollegan Francoise Amombo Noa skrivit en en ny lärobok om MOF som kom ut tidigare i år. I en kommentar till den aktuella Science-artikeln tar de upp att material som effektivt kan fånga in och släppa ifrån sig vatten kan få stor betydelse även inom andra områden som att rena gaser, avsalta havsvatten eller för mer energisnål luftkonditionering.

Sedan de första MOF:arna konstruerades på 1990-talet har utvecklingen gått i rasande takt och i dag har omkring 80 000 olika varianter rapporterats, alla med sina speciella egenskaper.

Tack vare sin mångsidighet kan de konstrueras för en rad olika uppgifter. I ett nystartat projekt kommer forskare vid Chalmers och Sveriges Lantbruksuniversitet, SLU, att utveckla MOF:ar för att rena vatten från miljöskadliga högfluorerade ämnen, PFAS.

MOF:ar kan även fånga koldioxid och andra gaser eller leverera läkemedel i kroppen. Nätverkets yta kan också göras kemisk aktiv så att hålrummen inne i materialet kan användas som kemifabriker i miniformat.

– Men det handlar inte bara om tillämpningar. Utvecklingen av MOF:ar har ändrat vår uppfattning om vad ett fast material är och öppnat helt nya möjligheter för vad man kan göra med fasta material, säger Lars Öhrström.

MOF:ar beskrivs ibland som legobitar som kan sättas ihop för en specifik uppgift. Men riktigt så enkelt är det inte. Det behövs fortfarande mycket forskning för att förstå hur de fungerar i detalj. Stabiliteten behöver till exempel förbättras.

Det behövs även en ny och gemensam nomenklatur, påpekar Lars Öhrström. I en artikel i tidskriften Chem gör han tillsammans med andra forskare ett försök att klassa MOF:ar i grupper med olika grundläggande egenskaper.

– Inom ett nytt område är det viktigt att beskriva och ge namn år saker annars blir det lätt missuppfattningar och folk blir osams. Det gäller för övrigt inte bara kemi.