Vissa material är speciella inte för vad de innehåller, men för vad de inte innehåller. Så är fallet med metallorganiska ramverk (MOF) – ultraporösa strukturer som utvecklas för en mängd olika framtida tillämpningar från brandsäkring till läkemedelsleverans.

MOF är, faktiskt, de mest porösa materialen som mänskligheten känner till. Ett metall-organiskt ramverk, så kallad NU-110, har en så stor yta att bara ett gram av den kunde vikas ut för att täcka en och en halv fotbollsplan.

Den enorma inre ytan är ett resultat av atomkomponenterna - metallatomer sammanlänkade av organiska molekyler, bildar en burliknande struktur. Det är genom att mixtra med kemin i dessa burar, och genom att sätta in olika föremål inuti dem, att forskare kan överväga så många olika tillämpningar.

"Genom klokt val av metaller och länkmolekyler, det finns ett stort antal material som kan förberedas med egenskaper utformade för specifika behov, " sa Dr Ross Forgan vid University of Glasgow i Storbritannien, som undersöker metallorganiska ramverk för läkemedelsleverans mot cancer.

Aktiv inriktning

De flesta kemoterapiläkemedel påverkar både frisk vävnad och tumören, därav de välkända biverkningarna av illamående, njurskador och håravfall. För att försöka lösa detta, vissa "passivt inriktade" behandlingar är baserade på nanopartiklar för att dra fördel av det faktum att tumörer är bättre än normala celler på att behålla nanopartiklar.

Dr Forgans mål är att bli bättre och aktivt rikta in sig på tumörer. Cancerläkemedel kan laddas in i metallorganiska ramar, medan MOFs själva kan utformas för att specifikt fästa vid tumörer.

Aktiv målinriktning innebär att alla droger hamnar vid dörren till en tumör, så genererar färre biverkningar. Det innebär också att läkare kan tillämpa läkemedelsbehandlingar som vanligtvis är för kraftfulla för att övervägas.

"Metalorganiska ramverk ackumuleras inte, ", sa Dr Forgan. "När de har levererat sin last kommer de att hydrolysera (bryta ner), demontering i deras metall- och länkkomponenter, som kan väljas att vara helt giftfritt."

För närvarande, Dr Forgan och hans kollegor utvecklar kemin för metallorganiska ramverk, använda DNA och andra molekyler, för att få dem att fästa vid tumörer. Under tiden, de utvecklar metoder för att göra MOF:er som är snabba, justerbar och repeterbar – alla nyckelkrav för kliniska tester.

100-faldig boost

Det här året, de gjorde en avgörande upptäckt:att cytotoxiciteten, eller effektivitet, av cancerläkemedel bestäms till stor del inte av deras kvantitet, utan genom den specifika mekanism genom vilken de tas upp. Faktiskt, Justering av denna mekanism med metallorganiska ramverk har gjort det möjligt för forskarna att öka cytotoxiciteten hos enkla anti-cancermolekyler ungefär 100 gånger.

Metallorganiska ramverk har utpekats som räddare för nästan allt. Potentiellt, de skulle kunna lagra väte för att generera ren el, utföra konstgjord fotosyntes och till och med upptäcka kemiska vapen.

Vid IMDEA Materials Institute i Madrid, Spanien, Professor De-Yi Wang undersöker en potentiellt mer utbredd tillämpning:brandsäkring. Nuvarande brandhämmande material är baserade på organiska molekyler som innehåller fosfor och, även om det är effektivt, dessa är dåliga för miljön och tenderar att äventyra styvheten hos vilka ytor de än appliceras på.

Å andra sidan, ett metallorganiskt ramverk kan faktiskt förbättra de mekaniska egenskaperna hos en yta. Det kan också innehålla en flamskyddande förening, men använd mindre av det för att generera samma skydd.

"Vi kan förbättra flamskyddet på ett mer miljövänligt sätt, utan att offra de mekaniska prestandorna – eller ens förbättra dem, " sa prof. Wang. När hans flamskyddade metallorganiska ramverk utsätts för eld, Prof. Wang förklarar, istället för att bränna det bara tecken, skyddar allt som ligger under.

Instabil

Än så länge, så bra. Men problem kvarstår, som det faktum att metallorganiska ramverk inte är särskilt stabila i vatten – ett problem om, till exempel, forskare vill införliva dem i vattenbaserade, brandskyddande färger. Prof. Wang tror att svaret kan vara att belägga de metallorganiska ramverken med ytaktiva ämnen – tvättmedel är ett vanligt exempel – för att hjälpa dem att stabiliseras och blandas med vatten.

Den goda nyheten är att de särskilda MOF:er som prof. Wang och hans kollegor använder redan kan göras snabbt och i stora partier, vilket gör att en lågkostnadsväg till industrialisering ser framkomlig ut.

"Många termiska plasttyper av polyester i vårt dagliga liv kan förses med flamskydd och andra funktioner, såsom förstärkta mekaniska egenskaper, " han sa.