Solvayprijs voor de ontwikkelaar van materiaal dat broeikasgas kan opslaan en lijken kan detecteren

De Japanse professor Susumu Kitagawa heeft vorige week in Brussel in aanwezigheid van koning Filip de prestigieuze Chemistry for the Future Solvay Prize gekregen. Kitagawa krijgt de prijs voor de ontwikkeling van een nieuw materiaal dat vervuilende gassen kan opslaan. Professor Rob Ameloot, bio-ingenieuraan de KULeuven werkt samen met het labo van Kitagawa in Kyoto.  Hij ontwikkelt in zijn lab op basis van gelijkaardige materialen een artificiële neus om zenuwgas te ruiken.  

Metaal-organische roosters of MOFs in het vakjargon (Metal-Organic Frameworks) zijn materialen waarin een organische stof (een element van plastic) en een metaalcomponent zit. De metaalionen in de MOFs zorgen voor de regelmatige opbouw. De organische stoffen zitten op de knooppunten van de roosterstructuur.  Het materiaal heeft speciale eigenschappen. 

Een MOF is zoals een spons of een poreuze steen. Net zoals een spons water kan opzuigen en een poreuze steen aardolie kan vasthouden, kan een MOF gassen vasthouden. De gaatjes in de roosterstructuur van de MOFs zijn veel kleiner dan de gaten in sponzen of poreuze stenen.

Honingraat op nanoniveau

"Een MOF is een honingraat op nanoniveau",  zegt prof Rob Ameloot van de KULeuven. Ameloot kent Susumu Kitagawa van de universiteit van Kyoto. Verschillende studenten van de KULeuven hebbben in uitwisselingsprojecten met het team van Kitagawa samengewerkt.

Om U een idee te geven van de grootte van de gaten in MOFs: die zijn veel kleiner dan een menselijk haar.  Ze zijn kleiner dan een nanometer. Een nanometer is een miljardste van een meter of 0,000 000 001 meter. 

"Dat betekent dat er in een MOF heel veel gas kan opgeslagen worden", zegt Ameloot. "In ieder kamertje van de honingraat past een gasmolecule. Afhankelijk van welk behangpapier we tegen de muren hangen in de kamertjes, trekken we verschillende moleculen aan. Dàt is wat MOFs zo interessant maakt.

Opslag van broeikasgassen

"De eerste MOFs werden ontwikkeld om gassen als waterstof, CO2 en methaan op te slaan", zegt Ameloot.  "Mogelijk zal dat een toepassing zijn van MOFs op grote schaal: om CO2 op te slaan dat vrijkomt bij de productie van elektriciteit in centrales die met kolen of gas gestookt worden. Als gassen kunnen opgevangen en opgeslagen worden, kunnen ze later ook gecontroleerd terug vrijgelaten worden."

Hoe maakt U het?

Om MOFs te maken, heb je een organische molecule en een metaalzout nodig. Bijvoorbeeld tereftalaat en een aluminiumverbinding. Tereftalaat zegt u hoogstwaarschijnlijk niets maar het is de T uit PET, de fles waarin uw frisdrank zit.  PET staat voor Poly-Ethyleen-Tereftalaat. 

Om tereftalaat met aluminium te laten reageren, maak je eerst van beide een oplossing die je met mekaar laat reageren. Het resultaat van deze chemische reactie is een poeder. Dat poeder is de MOF. Je kan het samenpersen tot korrels of tot een soort poreuze steen zoals in de katalysator van je auto.

Hokus pokus

Die MOFs hebben speciale eigenschappen" zegt prof Rob Ameloot. "Als je bijvoorbeeld de tank in je auto eerst vult met MOFs, dan krijg je er meer CNG (autogas) in dan in een lege tank."

"Hoe komt dat? Omdat in een lege tank die moleculen tegen mekaar botsen en zo druk ontwikkelen waardoor de tank sneller vol is dan wanneer alle gasmoleculen netjes gestapeld worden in de kamertjes van de honingraat van de MOFs."  

Van zenuwgas tot kankerdetector

Door hun structuur kunnen MOFs heel gericht bepaalde gasmoleculen opvangen die in heel lage concentraties voorkomen. Prof Ameloot heeft MOFs getest die werken als detector voor zenuwgas. Met succes. "Bij een uiterst geringe aanwezigheid van 1 molecule zenuwgas op een miljard deeltjes lucht, slaat de detector alarm."

En de mogelijkheden zijn haast onbeperkt. Er worden toepassingen mogelijk waarvan we tot voor kort dachten dat die alleen maar in science-fiction bestonden. Zo kunnen met deze materialen moleculen opgespoord worden die vrijkomen bij de groei van kankers of de geur van een lijk dat ergens verborgen ligt.  

Bovendien bieden MOF-gebaseerde sensoren perspectief om zo klein en goedkoop te worden dat ze in smartphones kunnen ingebouwd worden. Bijvoorbeeld als ademtest voor alcohol of als diagnose-app voor diabetes. Of als tester voor voedselversheid.  En als iedereen zo'n meettoestel op zijn smartphone heeft, kan je een wereldwijd meetnetwerk uitbouwen.

"Ik denk dat de MOFs op dit moment net voor hun grote doorbraak staan", zegt Ameloot. "MOFs zullen gebruikt worden in verschillende commerciële toepassingen."

Prestigieuze prijs

De Chemie voor de Toekomst Solvay-prijs is een prestigieuze prijs. Hij
beloont om de twee jaar een wetenschappelijke ontdekking die naar eigen zeggen de chemie van morgen kan vormgeven en de vooruitgang van de mensheid kan bevorderen.

Aan de prijs hangt een bedrag van 300 000 euro. Solvay is een Belgische multinational in chemie en plastics die bijna 30.000 mensen tewerkstelt in 56 landen. Stichter Ernest Solvay heeft opleiding en onderzoek altijd gepromoot en gesteund. Hijzelf was een autodidact.