rs

Sintesis Reticular: Mendalami Kerangka Logam-Organik (MOFs) dan Kerangka Organik Kovalen (COFs)

Sintesis retikuler, sebuah konsep revolusioner dalam ilmu material, berfokus pada desain rasional dan konstruksi bahan kristalin berpori dengan menghubungkan blok penyusun molekul yang telah dirancang sebelumnya melalui ikatan kovalen yang kuat. Pendekatan bottom-up ini menawarkan kontrol yang belum pernah terjadi sebelumnya terhadap ukuran pori, bentuk, dan fungsi kimia dari kerangka yang dihasilkan, sehingga menghasilkan material dengan sifat yang disesuaikan untuk berbagai aplikasi. Dua kelas utama bahan yang disintesis menggunakan prinsip kimia retikuler adalah Kerangka Logam-Organik (MOFs) dan Kerangka Organik Kovalen (COFs).

Kerangka Kerja Logam-Organik (MOFs): Membangun Arsitektur Berpori dengan Node Logam

MOF adalah bahan kristal yang terdiri dari ion atau gugus logam (node) yang terkoordinasi dengan ligan organik (penghubung). Penghubung ini, biasanya karboksilat atau azolat multi-dentate, bertindak sebagai penyangga yang menghubungkan simpul logam, membentuk jaringan berpori tiga dimensi. Pilihan logam dan penghubung menentukan keseluruhan struktur, ukuran pori, dan fungsi kimia Kementerian Keuangan.

• Blok Bangunan: Komponen dasar MOF adalah simpul logam dan penghubung organik. Node logam seringkali merupakan logam transisi (misalnya Cu, Zn, Fe, Co) atau logam golongan utama (misalnya Mg, Al). Pemilihan logam mempengaruhi geometri koordinasi, stabilitas, dan sifat redoks MOF. Pengikat organik yang umum termasuk asam dikarboksilat (misalnya asam tereftalat, asam isoftalat), asam trikarboksilat (misalnya asam trimesat), dan ligan berbasis azolat (misalnya imidazol, triazol). Fungsi linker dapat dimodifikasi dengan berbagai substituen (misalnya -NH2, -OH, -NO2) untuk menyesuaikan lingkungan kimia di dalam pori-pori.

• Metode Sintesis: Banyak metode yang digunakan untuk mensintesis MOF, masing-masing menawarkan tingkat kontrol yang berbeda-beda terhadap ukuran kristal, morfologi, dan konsentrasi cacat.

  • Sintesis Solvotermal: Ini adalah metode yang paling umum, melibatkan reaksi garam logam dan bahan penghubung organik dalam autoklaf tertutup pada suhu dan tekanan tinggi. Pelarut memainkan peran penting dalam melarutkan reaktan dan mempengaruhi proses kristalisasi.

  • Sintesis Berbantuan Microwave: Metode ini menggunakan iradiasi gelombang mikro untuk memanaskan campuran reaksi dengan cepat, mempercepat proses kristalisasi dan seringkali menghasilkan ukuran kristal yang lebih kecil dan meningkatkan hasil.

  • Sintesis Elektrokimia: Teknik ini melibatkan oksidasi elektrokimia anoda logam dengan adanya penghubung organik. Ion logam yang dilepaskan dari anoda bereaksi dengan penghubung membentuk MOF.

  • Sintesis Mekanokimia: Metode bebas pelarut ini melibatkan penggilingan atau penggilingan reaktan bersama-sama, menginduksi reaksi kimia dan membentuk MOF.

  • Deposisi Lapis demi Lapis (LbL): Teknik ini melibatkan pengendapan ion logam dan penghubung organik secara berurutan ke dalam substrat, memungkinkan pembuatan film tipis MOF.

• Keanekaragaman Struktural: MOF menunjukkan keragaman struktur yang luar biasa, mulai dari kisi kubik sederhana hingga jaringan tiga dimensi yang kompleks. Topologi MOF ditentukan oleh geometri koordinasi simpul logam dan konektivitas penghubung organik. Topologi MOF yang umum meliputi:

  • IRMOF: MOF isoretikular, keluarga MOF berdasarkan struktur MOF-5, menunjukkan topologi kubik dan dicirikan oleh luas permukaan dan porositasnya yang tinggi.

  • MIL: Bahan-bahan dari Institut Lavoisier, sebuah keluarga MOF yang disintesis oleh kelompok penelitian Gérard Férey, sering kali menampilkan gugus logam-okso yang kuat sebagai simpul dan menunjukkan stabilitas termal dan kimia yang tinggi.

  • ZIF: Kerangka Imidazolat Zeolitik, suatu kelas MOF yang terdiri dari ion logam (biasanya Zn atau Co) yang terkoordinasi dengan penghubung imidazolat, memiliki topologi mirip zeolit ​​​​dan menunjukkan stabilitas kimia dan termal yang tinggi.

• Properti dan Aplikasi: Ukuran pori yang dapat disesuaikan, luas permukaan yang tinggi, dan fungsi kimia MOF menjadikannya bahan yang menarik untuk berbagai aplikasi.

  • Penyimpanan dan Pemisahan Gas: MOF dapat menyerap dan menyimpan sejumlah besar gas, seperti hidrogen, metana, dan karbon dioksida, karena luas permukaan dan porositasnya yang tinggi. Mereka juga dapat digunakan untuk memisahkan berbagai gas berdasarkan ukuran, bentuk, dan afinitasnya terhadap permukaan MOF.

  • Katalisis: MOF dapat berfungsi sebagai katalis atau pendukung katalis, menyediakan lingkungan terbatas untuk reaksi kimia. Node logam atau penghubung yang difungsikan dapat bertindak sebagai situs katalitik aktif, sedangkan pori-pori dapat secara selektif menyerap dan mengangkut reaktan.

  • Penginderaan: MOF dapat digunakan sebagai sensor untuk mendeteksi berbagai analit, seperti gas, senyawa organik yang mudah menguap (VOC), dan biomolekul. Interaksi analit dengan MOF dapat dideteksi melalui perubahan sifat optik, listrik, atau mekanik.

  • Pengiriman Obat: MOF dapat merangkum dan melepaskan obat secara terkendali, sehingga meningkatkan bioavailabilitas dan mengurangi efek samping. Ukuran pori dan fungsi kimia MOF dapat disesuaikan untuk mengoptimalkan pemuatan dan pelepasan obat.

  • Pencitraan: MOF dapat digunakan sebagai agen kontras untuk pencitraan resonansi magnetik (MRI) dan teknik pencitraan lainnya. Node logam dapat diolah dengan ion paramagnetik untuk meningkatkan kontras.

Kerangka Organik Kovalen (COFs): Membangun Struktur Berpori dengan Elemen Ringan

COF adalah bahan kristalin berpori yang seluruhnya terdiri dari unsur-unsur ringan (misalnya C, H, O, N, B) yang dihubungkan satu sama lain melalui ikatan kovalen yang kuat. Berbeda dengan MOF, COF tidak mengandung ion logam. Ketiadaan logam sering kali menyebabkan kepadatan lebih rendah dan potensi stabilitas kimia lebih tinggi di lingkungan tertentu.

• Blok Bangunan: Bahan penyusun COF adalah monomer organik dengan fungsi spesifik yang memungkinkannya berpolimerisasi menjadi jaringan dua dimensi (2D) atau tiga dimensi (3D). Monomer umum termasuk asam boronat, aldehida, amina, dan hidrazida. Pilihan monomer menentukan ukuran pori, bentuk, dan fungsi kimia COF.

• Metode Sintesis: COF biasanya disintesis melalui reaksi kondensasi, seperti kondensasi basa Schiff, kondensasi asam boronat, dan kondensasi imina. Reaksi ini melibatkan pembentukan ikatan kovalen antara monomer, yang mengarah pada pembentukan jaringan kristal.

  • Sintesis Solvotermal: Mirip dengan sintesis MOF, sintesis solvotermal biasanya digunakan untuk sintesis COF. Reaksi dilakukan dalam autoklaf tertutup pada suhu dan tekanan tinggi.

  • Sintesis Berbantuan Microwave: Iradiasi gelombang mikro dapat mempercepat proses sintesis COF.

  • Polimerisasi Antarmuka: Metode ini melibatkan polimerisasi monomer pada antarmuka antara dua cairan yang tidak dapat bercampur, yang mengarah pada pembentukan film COF.

• Keanekaragaman Struktural: COF menunjukkan berbagai struktur, termasuk struktur 2D berlapis dan jaringan 3D. Penumpukan lapisan 2D di COF dapat mengarah pada pembentukan saluran satu dimensi.

• Properti dan Aplikasi: COF memiliki sifat yang unik, seperti luas permukaan yang tinggi, kepadatan yang rendah, dan fungsi kimia yang dapat diatur, menjadikannya menarik untuk berbagai aplikasi.

  • Penyimpanan dan Pemisahan Gas: COF dapat menyerap dan menyimpan gas, seperti hidrogen dan karbon dioksida. Kepadatannya yang rendah dan ukuran pori yang dapat disesuaikan menjadikannya bahan yang menjanjikan untuk penyimpanan dan pemisahan gas.

  • Katalisis: COF dapat digunakan sebagai katalis atau pendukung katalis. Bahan penyusun organik dapat difungsikan dengan gugus katalitik, dan pori-pori dapat secara selektif menyerap dan mengangkut reaktan.

  • Elektronik: COF dapat menunjukkan sifat semikonduktor dan dapat digunakan pada perangkat elektronik, seperti transistor dan sensor. Sifat elektronik COF dapat disesuaikan dengan memvariasikan struktur kimia monomer.

  • Penginderaan: COF dapat digunakan sebagai sensor untuk mendeteksi berbagai analit.

  • Penyimpanan Energi: COF sedang dieksplorasi untuk digunakan dalam perangkat penyimpanan energi, seperti baterai dan superkapasitor.

Tantangan dan Arah Masa Depan

Meskipun kemajuan signifikan dalam kimia retikuler, masih ada beberapa tantangan. Hal ini termasuk meningkatkan stabilitas MOF dan COF di lingkungan yang keras, mengembangkan metode sintesis yang lebih efisien dan terukur, dan merancang material dengan fungsi yang lebih kompleks. Arah penelitian di masa depan meliputi:

• Mengembangkan MOF dan COF yang stabil terhadap air dan kuat secara kimia.
• Menjelajahi blok bangunan baru dan menghubungkan kimia.
• Membuat material berpori hierarki dengan berbagai ukuran pori.
• Mengintegrasikan MOF dan COF dengan material lain untuk menciptakan material komposit dengan sifat yang ditingkatkan.
• Mengembangkan metode komputasi untuk memprediksi struktur dan sifat MOF dan COF.

Sintesis retikuler memiliki potensi besar untuk menciptakan generasi baru material canggih dengan sifat yang disesuaikan untuk berbagai aplikasi. Penelitian dan pengembangan yang berkelanjutan di bidang ini tidak diragukan lagi akan menghasilkan terobosan menarik dalam ilmu dan teknik material.