MOFs: วัสดุสมรรถนะสูงเพื่อเทคโนโลยีแห่งอนาคต

เรื่องโดย ดร.ภัสร์ชาพร จินะ

วัสดุยุคใหม่ที่กำลังได้รับความสนใจอย่างมากในแวดวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี คงหนีไม่พ้นวัสดุที่คว้ารางวัลโนเบลสาขาเคมี ปี 2025 นั่นคือ วัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์ หรือ Metal–Organic Frameworks (MOFs) ซึ่งมีโครงสร้างระดับนาโนที่เป็นเอกลักษณ์ ให้พื้นที่ผิวสูงเป็นพิเศษ และสามารถออกแบบคุณสมบัติให้เหมาะสมกับการใช้งานได้อย่างหลากหลาย ตั้งแต่การกักเก็บก๊าซ การแยกสาร ไปจนถึงการประยุกต์ด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม บทความนี้จึงขอพาทุกท่านไปรู้จักกับ วัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์ (MOFs) วัสดุแห่งอนาคตที่กำลังเปลี่ยนโฉมโลกของวิทยาศาสตร์กันค่ะ

จุดเริ่มต้นของ “วัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์ หรือ Metal–Organic Frameworks (MOFs)”

          ผู้ที่จุดประกายแนวคิดในการสร้างโมเลกุลที่มีโครงสร้างซับซ้อนลักษณะนี้เป็นคนแรก คือ ริชาร์ด ร็อบสัน (Richard Robson) ซึ่งให้ความสำคัญกับแนวคิดการออกแบบเชิงหลักการ โดยตั้งอยู่บนความจริงพื้นฐานทางเคมีว่า การรวมตัวของสารชนิดหนึ่งกับสารอีกชนิดหนึ่งสามารถก่อให้เกิดสารหรือโมเลกุลรูปแบบใหม่ที่มีคุณสมบัติแตกต่างออกไปได้ จากแนวคิดดังกล่าว ร็อบสันจึงเริ่มออกแบบโครงสร้างโดยอาศัยคุณสมบัติเด่นของคาร์บอนที่สามารถสร้างพันธะได้ถึงสี่ทิศทาง ร่วมกับไอออนของธาตุโลหะ เพื่อก่อให้เกิดโครงข่ายโมเลกุลสามมิติ ในการทดลองระยะแรก เขาเลือกใช้ไอออนของธาตุทองแดงเป็นองค์ประกอบหลัก จนได้ MOFs ที่มีโพรงขนาดใหญ่บริเวณใจกลางโครงสร้าง ต่อมาจึงได้ทดลองเปลี่ยนชนิดของไอออนของธาตุโลหะอย่างต่อเนื่อง เพื่อศึกษาผลของธาตุโลหะแต่ละชนิดต่อรูปแบบและลักษณะของโครงสร้างดังกล่าว ซึ่งนำไปสู่ความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับการปรับเปลี่ยนโครงสร้างระดับโมเลกุล ต่อมา ซุซุมุ คิตากาวะ (Susumu Kitagawa) ได้พัฒนาโครงสร้างของวัสดุในกลุ่ม MOFs ที่มีลักษณะเป็นโครงข่ายซึ่งมีโพรงภายในขนาดใหญ่เพียงพอสำหรับกักเก็บโมเลกุลของสารบางชนิดอย่างแอซีโทนไว้ภายในได้

อย่างไรก็ตาม ทั้ง ริชาร์ด ร็อบสัน และ ซุซุมุ คิตากาวะ ต่างต้องเผชิญกับอุปสรรคสำคัญเหมือนกัน นั่นคือ วัสดุ MOFs มีความเปราะบางสูง เมื่อเปรียบเทียบกับ ซีโอไลต์ (Zeolites) ซึ่งเป็นวัสดุที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักและใช้งานกันมาอย่างยาวนานในฐานะผลึกของแข็งที่มีโครงสร้างแข็งแรง ภายในมีรูพรุน และสามารถดูดซับก๊าซชนิดต่าง ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยเหตุนี้ ผู้ให้ทุนวิจัยในช่วงเวลานั้นจึงยังไม่เล็งเห็นถึงศักยภาพและความสำคัญของการพัฒนา MOFs มากนัก

คิตากาวะจึงเป็นผู้ที่ก้าวขึ้นมาอธิบายและถ่ายทอดวิสัยทัศน์ของวัสดุกลุ่มนี้สู่สังคมวิทยาศาสตร์ ผ่านบทความใน Bulletin of the Chemical Society of Japan โดยชี้ให้เห็นว่า แม้ MOFs จะมีข้อจำกัดด้านความแข็งแรง แต่ก็มีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นและมีศักยภาพสูงกว่าซีโอไลต์ในหลายมิติ โดยเฉพาะความยืดหยุ่นในการออกแบบโครงสร้าง ทำให้การปรับขนาดของโพรงภายในให้ใหญ่หรือเล็กตามความต้องการเป็นไปได้ง่ายกว่า ในทางตรงกันข้าม ซีโอไลต์มีองค์ประกอบหลักคือซิลิคอนไดออกไซด์ ทำให้มีโครงสร้างและคุณสมบัติค่อนข้างจำกัด นอกจากนี้ MOFs ยังสังเคราะห์ได้จากไอออนของธาตุโลหะได้หลากหลายชนิด จึงสามารถพัฒนาให้มีคุณสมบัติอื่นๆ นอกเหนือจากขนาดของโพรงได้ตรงตามเป้าหมายการใช้งาน

โอมาร์ ยากิ (Omar Yaghi) เป็นอีกหนึ่งนักวิทยาศาสตร์คนสำคัญที่มีบทบาทอย่างยิ่งในการออกแบบและพัฒนาโครงสร้างของวัสดุ MOFs เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ในหลากหลายด้าน และเป็นผู้บัญญัติคำว่า Metal–Organic Frameworks หรือที่เรียกย่อว่า MOFs ซึ่งกลายเป็นคำเรียกมาตรฐานในวงการวิทยาศาสตร์มาจนถึงปัจจุบัน หนึ่งในผลงานสำคัญของยากิคือการพัฒนา MOF-5 ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีความเสถียรสูงอย่างโดดเด่น สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงกว่า 300 องศาเซลเซียส ได้โดยไม่เกิดการยุบตัว แม้จะใช้วัสดุเพียงไม่กี่กรัม แต่ MOF-5 กลับมีความยืดหยุ่นเชิงโครงสร้างสูงและมีพื้นที่ว่างภายในมหาศาล จนสามารถเปรียบเทียบได้ว่ามีพื้นที่ภายในมากพอจะ “บรรจุสนามฟุตบอล” ไว้ได้

โครงสร้างและองค์ประกอบของ MOFs

Metal–Organic Frameworks หรือ MOFs คือ วัสดุผลึกที่มีโครงสร้างเป็นตาข่าย (Framework) ขนาดใหญ่และมีรูพรุนจำนวนมาก มีธาตุโลหะเป็นองค์ประกอบหลัก (Metal Nodes หรือ Clusters) ต่อกับลิแกนด์อินทรีย์ (Organic Linkers)  ที่ทำหน้าที่เชื่อมธาตุโลหะต่างๆ ภายในโครงสร้างด้วยพันธะและจัดเรียงโครงสร้างสามมิติที่มีลักษณะคล้าย “ฟองน้ำระดับนาโน”

ส่วนประกอบพื้นฐานของ MOFs ประกอบด้วย 2 ส่วน ดังนี้

1. Metal Nodes

• เป็นไอออนหรือกลุ่มของธาตุโลหะ เช่น Zn²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺, Zr⁴⁺ เป็นต้น
• ทำหน้าที่เป็น “จุดเชื่อม” สำหรับลิแกนด์อินทรีย์ จนสามารถเกิดเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่
• บางครั้งเรียกว่า Secondary Building Units (SBUs) ซึ่งเป็นตัวกำหนดรูปร่าง โครงสร้าง และคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ MOF นั้นๆ

2. Organic Linkers

• เป็นโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่จับกับโลหะได้หลายตำแหน่ง (Multidentate Ligands) เช่น Carboxylates หรือ Pyridyl Ligands
• ทำหน้าที่เป็น “คาน” หรือ “สะพาน” เชื่อมโลหะต่างๆ ให้เป็นโครงข่าย

คุณสมบัติเด่นของ MOFs

• มีรูพรุนสูง (High Porosity)
• พื้นผิวจำเพาะสูง (High Surface Area)
• ปรับโครงสร้างให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะได้จากการเลือกใช้ธาตุโลหะและลิแกนด์อินทรีย์ (Tunable Structure)
• โครงสร้างเชิงกลแข็งแรง ทนต่อสารเคมี (High Mechanical and Chemical Properties)
• เลือกจับโมเลกุลเฉพาะได้อย่างจำเพาะ (Molecular Selectivity) เช่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) และก๊าซไฮโดรเจน (H₂)
• คุณสมบัติทางเคมีและฟิสิกส์ที่ปรับเปลี่ยนง่าย (Functionalizable Chemistry)

การนำมาใช้ประโยชน์

จากคุณสมบัติที่หลากหลาย MOFs จึงเป็นวัสดุที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้หลายด้าน เช่น

• การกักเก็บและแยกก๊าซ (Gas Storage and Separation)
• ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst)
• การนำส่งยาและวิเคราะห์ชีวภาพ (Drug Delivery and Biosensing)
• การกรองน้ำและกำจัดสารปนเปื้อน (Water Purification)
• การเก็บพลังงานและแบตเตอรี่รุ่นใหม่ (Energy Storage and Batteries)

คุณสมบัติดังกล่าวสะท้อนให้เห็นถึงศักยภาพในการดูดซับก๊าซของ MOFs ที่เหนือกว่าวัสดุอย่างซีโอไลต์ และกลายเป็นรากฐานสำคัญที่จุดประกายให้นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาเดินหน้าพัฒนา MOFs ที่มีความเสถียรและคุณสมบัติเฉพาะด้านเพิ่มมากขึ้น จนในปัจจุบันมีการสังเคราะห์และรายงาน MOFs แล้วมากกว่า 100,000 ชนิด ซึ่งยังคงเปิดโอกาสให้เกิดการค้นพบและการประยุกต์ใช้งานใหม่ ๆ อย่างไม่สิ้นสุด

ในเครือข่ายของศูนย์ความเป็นเลิศด้านเทคโนโลยีปิโตรเคมีและวัสดุ (PETROMAT) มีอาจารย์ที่มีความเชี่ยวชาญและศึกษาวิจัยวัสดุชนิดนี้เช่นเดียวกัน คือ ดร.ภูมินทร์ ถานอาจนา อาจารย์ประจำวิทยาลัยปิโตรเลียมและปิโตรเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ผู้สนใจสามารถอ่านบทสัมภาษณ์ เรื่อง “MOFs วัสดุอัจฉริยะ ดัก CO₂ สู่ Net Zero” ได้ที่ https://petromat.org/home/the-story-mofs/

แหล่งข้อมูล
[1] https://thestandard.co/mof-material-future-nobel-prize
[2] https://www.ossila.com/pages/what-are-metal-organic-frameworks
[3] https://www.nstda.or.th/home/news_post/mofs/

Go to Top