Την 8η Οκτωβρίου 2025, η Επιτροπή του Νόμπελ απένειμε το Βραβείο Χημείας στους Susumu Kitagawa, Richard Robson και Omar Yaghi, «για την ανάπτυξη των metal–organic frameworks (MOFs)». Το βραβείο αναγνώρισε τη θεμελιακή σημασία των MOFs ως υλικών με εξαιρετικά χαρακτηριστικά: υψηλή πορώδη δομή, ρυθμιζόμενη χημεία, μεγάλη επιφάνεια, και δυνατότητα λειτουργικής τροποποίησης. Η διάκριση αυτή αναμένουμε ότι θα ενισχύσει το ενδιαφέρον για εφαρμογές MOF σε ευρεία κλίμακα και ειδικά στον χώρο των επιχρισμάτων, όπου οι ιδιότητες που προσφέρουν είναι εξαιρετικά ελπιδοφόρες.
Οι χημικοί των χρωμάτων γνωρίζουν πολύ καλά ότι τα υλικά εκτίθενται σε σύνθετα περιβάλλοντα (υγρασία, ακτινοβολία UV, θερμοκρασιακές μεταβολές, μικροβιακό φορτίο κ.α.). Η εισαγωγή υλικών όπως τα MOFs στο σύστημα προσφέρει νέες δυνατότητες που μέχρι τώρα ήταν αδύνατο να επιτευχθούν με ένα μόνο υλικό.
Τι είναι τα MOFs;
Τα MOFs είναι μεταλλικά-οργανικά πλαίσια (Metal-Organic Frameworks), μια κατηγορία κρυσταλλικών υλικών με πορώδη δομή που δημιουργείται από μεταλλικά ιόντα ή συστάδες και οργανικούς συνδέσμους. Ορισμένες βασικές ιδιότητες:
- Υψηλή ειδική επιφάνεια (μερικά MOFs έχουν > 7000 m²/g)
- Ρυθμιζόμενο πορώδες (μέγεθος πόρων, διάταξη)
- Προσαρμοστικότητα: Επιλογές μετάλλων & οργανικών τροποποιήσεων
- Φιλτράρισμα, απορρόφηση/εκπομπή, καταλυτική δράση, αποθήκευση αερίων
- Χημική και θερμική σταθερότητα (ανάλογα τον MOF)
Ο τρόπος λειτουργίας σε coatings βασίζεται στο ότι τα MOFs μπορούν να ενεργούν ως:
- Φραγμοποιητικά fillers: περιορίζουν τη διάχυση μορίων (νερό, ιόντα) στα πολυμερή.
- Nanocontainers / φορείς ενεργών ουσιών (αναστολέων, αντιμικροβιακών παραγόντων κτλ) με ελεγχόμενη απελευθέρωση.
- Λεπτά έξυπνα films (SURMOFs / surface-mounted MOFs) για επιλεγμένη διαπερατότητα ή αισθητήρια λειτουργία.
- Καταλυτικά / φωτοκαταλυτικά κέντρα ενσωματωμένα στην επιφάνεια του χρώματος για αποδόμηση ρύπων ή VOC.
Η πρόκληση είναι η ενσωμάτωση των MOFs μέσα σε ρητίνες ή σαν πρόσθετα σε συνταγές χρωμάτων, με κατάλληλη συμβατότητα, σταθερότητα, αποφυγή συσσωματώσεων και διατήρηση των αρχικών ιδιοτήτων.
MOFs στα coatings — σημερινές εφαρμογές & παραδείγματα
Αντιδιαβρωτική προστασία
Η πιο ανεπτυγμένη εφαρμογή είναι στα χρώματα προστασίας μετάλλων. MOFs όπως UiO-66, ZIF-8, MIL-101 και HKUST-1 ενσωματώνονται σε εποξειδικές/πολυεστερικές ρητίνες ως fillers ή nanocontainers.
- Λειτουργούν ως φράγματα κατά της διείσδυσης νερού και οξυγόνου, μειώνοντας τη διάβρωση σε μεταλλικές επιφάνειες.
- Σε πολλές περιπτώσεις, το MOF «γεμίζει» με έναν αναστολέα διάβρωσης (π.χ. ινδολαζόλη, βενζοτριαζόλη, ή άλλους οργανικούς αναστολείς), ο οποίος απελευθερώνεται κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες (π.χ αλλαγή pH).
- Έχουν δείξει εξαιρετική απόδοση σε epoxy συνθέσεις, όπου ενσωματώνονται ως fillers για να ενισχύσουν τη μηχανική αντοχή και την αυτο-θεραπευτική ικανότητα.
- Ερευνητικές μελέτες έδειξαν σημαντική επιβράδυνση της διάβρωσης και αυξημένη διάρκεια σε δοκιμές αλατονέφωσης.
Σε πιο προηγμένα συστήματα, έχουν ενσωματωθεί σε smart coatings όπου το MOF «αισθάνεται» μεταβολές στο περιβάλλον και αλλάζει συμπεριφορά (π.χ. χρωματική ένδειξη, μέτρηση μεταβολής αγωγιμότητας) πριν την εμφάνιση σοβαρής διάβρωσης.
Αντιμικροβιακά – βιοϊατρικά coatings
Τα MOFs με μέταλλα όπως Ag⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ που προσδίδουν φωτοκαταλυτικές ιδιότητες έχουν εφαρμοστεί σε επιφάνειες με σκοπό την αντιμικροβιακή δράση.
- Τέτοια χρώματα βρίσκουν εφαρμογή σε ιατρικές επιφάνειες, σε εγκαταστάσεις όπου η υγιεινή είναι κρίσιμη, ή σε σωληνώσεις βιομηχανιών τροφίμων/φαρμάκων.
- Σε ιατρικά εμφυτεύματα, επιφανειακά MOF coatings βελτιώνουν τη βιοσυμβατότητα και επιτρέπουν ελεγχόμενη απελευθέρωση φαρμάκων.
- Σημείο προσοχής: περιορισμός τοξικότητας, σταθερότητα του MOF σε υγρά περιβάλλοντα και διακυμάνσεις pH.
Αντιπυρικά coatings & θερμική προστασία
Μερικά MOFs ή υλικά που προέρχονται από MOFs (MOF-derived oxides / LDH) έχουν δοκιμαστεί ως πρόσθετα φλογοανθεκτικότητας.
- Κατά την έκθεση σε φλόγα, μπορούν να βοηθούν στο σχηματισμό προστατευτικής ανθρακικής μεμβράνης, στη δέσμευση ελευθέρων ριζών και στην καθυστέρηση θερμικής μεταφοράς.
- Τα συστήματα αυτά συχνά απαιτούν τροποποιήσεις ή προσθήκες με άλλα πρόσθετα (phosphorus, nitrogen) για να αυξηθεί η αποτελεσματικότητα.
- Η πρόκληση εδώ είναι να μην υποβαθμιστούν οι οπτικές / μηχανικές ιδιότητες του υλικού.
UV-shielding, φωτοσταθερότητα και προστασία από φωτογήρανση
Ορισμένα MOFs, ειδικά Zr-MOFs όπως UiO-66, έχουν ικανότητα απορρόφησης UV και μπορούν να ενσωματωθούν σε διαφανείς βαφές/βερνίκια για να προστατεύσουν το πολυμερές από την έκθεση σε ακτινοβολία UV.
- Η χρήση σε τοίχους, εξωτερικές ξύλινες επιφάνειες και αρχιτεκτονικές βαφές έχει ήδη προταθεί.
- Αναφέρεται ότι οι προσθήκες MOF μπορούν να μειώσουν τον ρυθμό αλλαγής χρώματος (κιτρινισμού), χωρίς να θολώνουν την επιφάνεια.
SURMOFs / λεπτά films
H τεχνολογία των surface-mounted MOFs (SURMOFs) επιτρέπει την απόθεση ελεγχόμενων, ομοιογενών, νανοδομημένων MOF φιλμ πάνω σε υπόστρωμα (μέσω μεθόδων όπως layer-by-layer epitaxy, CVD-like τεχνικές).
- Σε coatings, αυτό ανοίγει δρόμο για ultra-thin λειτουργικά barriers, επιλεκτικά διαπερατά στρώματα ή αισθητήριες επιφάνειες ενσωματωμένες στο τελικό φίλμ.
- Αυτό το πεδίο παραμένει πιο πειραματικό, αλλά θεωρείται “next frontier” για high-end coatings όπου η πρόσθετη λειτουργικότητα απαιτείται χωρίς να θυσιάζεται η διαφάνεια ή το leveling.
Προοπτικές & Προκλήσεις
Προοπτικές
- Multifunctional coatings: συνδυασμός αντιδιαβρωτικής, αντιμικροβιακής, φλογοανθεκτικής και αισθητήριας λειτουργίας σε ένα υλικό.
- Έξυπνα stimuli-responsive coatings: όπου το MOF αντιδρά σε pH, ιόντα, υγρασία ή φως και «αυτορρυθμίζεται».
- Κλιμάκωση & χαμηλό κόστος: ανάπτυξη οικονομικών διαδρομών σύνθεσης MOF σε μεγάλη κλίμακα με επαναληψιμότητα.
- Σύνδεση με ψηφιακά συστήματα: αισθητήρες διάβρωσης ή μικροπορώδη layers που επικοινωνούν με συστήματα IoT (π.χ. στην παρακολούθηση υποδομών).
- Βιωσιμότητα & ασφάλεια: MOFs βασισμένα σε άφθονα, μη τοξικά μέταλλα (Fe, Al) και green σύνθεση . Συμβατότητα με περιβαλλοντικά πρότυπα (REACH, CLP, LCA).
Προκλήσεις
- Σταθερότητα: πολλά MOFs υδρολύονται ή χάνουν τις ιδιότητες τους, ειδικά κρίσιμο σε coatings εκτεθειμένα σε περιβάλλον.
- Διασπορά & συμβατότητα: αποφυγή συσσωμάτωσης, καλή διαβροχή στη ρητίνη, διατήρηση οπτικών/ρεολογικών ιδιοτήτων.
- Έλεγχος απελευθέρωσης: design του μηχανισμού απελευθέρωσης/triggering για σταθερή λειτουργία, αποφυγή «μιας μόνης έκρηξης» απελευθέρωσης.
- Τοξικότητα / leaching: ειδικά όταν χρησιμοποιούνται μέταλλα όπως Ag, Cu, απαιτείται έλεγχος μετανάστευσης / ασφάλεια χρήσης.
- Κόστος παραγωγής & αναπαραγωγιμότητα: είναι challenge το scale up σε παραγωγικό-βιομηχανικό επίπεδο.
- Ολοκληρωμένη δοκιμή σε διαφορετικούς κλάδους: απαιτούνται μακροχρόνιες δοκιμές, προσομοιώσεις σε aggresive περιβάλλοντα, συμβατότητα με υποστρώματα και διαδικασίες βαφής.
Συμπεράσματα
Το Νόμπελ του 2025 έχει αναδείξει πως δεν είναι απλώς εργαστηριακά υλικά, αλλά μια χημική εργαλειοθήκη για καινοτόμα coatings, προσκαλώντας τους χημικούς να εξερευνήσουν απεριόριστες δυνατότητες.
Στον χώρο των coatings, τα MOFs ανοίγουν δυνατότητες για coatings με υψηλότερη απόδοση, «έξυπνη» συμπεριφορά και πολυλειτουργικότητα, ιδανικά για τις σύγχρονες ανάγκες (βιώσιμα υλικά, ψηφιακο monitoring, ανθεκτικότητα).
Ως R&D χημικοί, έχουμε την ευκαιρία να μεταφέρουμε αυτές τις εξελίξεις από το proof-of-concept σε εφαρμογές υψηλής προστιθέμενης αξίας, αλλά ταυτόχρονα να αντιμετωπίσουμε τις πρακτικές προκλήσεις: σταθερότητα, συμβατότητα, ασφάλεια, κόστη, και scale up. Αν κινηθούμε προσεκτικά, με σταδιακά pilot projects, ενδιάμεσα benchmarks και δοκιμές στο πεδίο, τα MOFs μπορούν να αποτελέσουν το επόμενο μεγάλο άλμα στην εξέλιξη των χρωμάτων.
Βιβλιογραφία
- Nwokolo, I. K., Shi, H., Liu, F. MOF-based protective coatings for metal corrosion protection: A critical review of design, synthesis, performance, and mechanism. Materials Science and Engineering B 2025, 313, 117932. ScienceDirect+2ScienceDirect+2
- “Metal-Organic Framework (MOF)/Epoxy Coatings: A Review.” PMC (open access). PMC
- Ansari, K. R. et al. Progress in metal-organic frameworks (MOFs) as multifunctional materials: design, synthesis and anticorrosion performance techniques (review). ScienceDirect
- “Recent advances in surface-mounted metal–organic framework thin films.” Biomaterials Research / PMC. BioMed Central+1
- Two-Dimensional Metal–Organic Frameworks/Epoxy Composite Coatings with Superior O₂ /H₂O Resistance for Anticorrosion Applications. ACS Applied Materials & Interfaces (2024). American Chemical Society Publications
- Nano-metal–organic frameworks as corrosion inhibitors for steel (RSC). RSC Publishing
- “A review of metal-organic framework protective coatings for light metals.” SAGE Journals. SAGE Journals+1
- “Polyester-Based Coatings with a Metal Organic Framework: An Experimental Study for Corrosion Protection.” MDPI. MDPI
- Synthesis and evaluation of CuNi-MOF as corrosion inhibitor for stainless steels. PMC. PMC