Beberapa tahun yang lalu, Lestari (2014) menulis bahwa metal-organic frameworks (MOFs) merupakan material berpori yang menjanjikan untuk berbagai aplikasi di masa depan. Namun, jauh sebelum kemunculan MOF, ada material lain yang lebih dulu diaplikasikan di banyak sektor terutama dunia industri.
Yilmaz dkk. (2012) mengatakan bahwa suatu padatan dapat dipandang berpori apabila kekosongan pada strukturnya cukup besar untuk mengakomodasi molekul tamu. Dalam industri kimia, kemampuan untuk membawa molekul masuk dan keluar dari suatu material berpori telah terbukti sangat menguntungkan. Semakin seragam ukuran pori-pori dalam suatu padatan, semakin baik sebuah material berpori untuk diaplikasikan. Keseragaman porositas merupakan hasil dari struktur yang sangat teratur, seperti dalam kerangka kerja (framework) zeolit atau MOF dengan pori/channel yang merupakan bagian dari blok pembangun (unit repetitif pada struktur).
Zeolit
Sejarah penciptaan zeolit dimulai sejak pertengahan abad ke-18, tepatnya pada tahun 1756 ketika seorang kimiawan asal Swedia, Axel Cronstedt, mencatat bahwa mineral stilbite mendidih ketika dipanaskan. Zeolit merupakan kristalin mikropori aluminosilika, yang dibangun dari pembagian ujung (corner-sharing) tetrahedral SiO44– dan AlO45–. Pori-pori material ini dibentuk di alam dengan adanya aktivitas vulkanik dan sekarang sudah bisa disintesis di laboratorium.
Saat ini terdapat 229 struktur zeolit berbeda yang diketahui. Zeolit tidak hanya tersusun atas tetrahedral SiO44– dan AlO45– karena banyak unsur lain yang dapat menjadi bagian integral dari kerangka kerja zeolit. Hal yang menarik adalah seperti yang telah diprediksikan teori, terdapat jutaan struktur zeolit lain yang dapat dikonstruksi dari bentuk dasar utama zeolit. Fakta ini menunjukkan potensi yang amat besar dari penelitian perancangan fungsi baru material berpori (Weckhuysen dan Yu, 2015).
Zeolit telah digunakan di banyak sektor seperti industri, agrikultur, konservasi lingkungan, dan bahkan obat-obatan. Pada bidang agrikultur, zeolit digunakan untuk membuat pertumbuhan tanaman lebih baik dengan meningkatkan nilai pupuk, menyimpan nitrogen, dan meningkatkan kualitas dari penyubur tanaman (manure) dan lumpur (sludge) (Kaduk dan Faber, 1995).
Zeolit juga mempunyai beberapa struktur unik selain pori-pori. Polat dkk. (2004) menyatakan bahwa pori-pori dalam zeolit tertaut dan membentuk saluran panjang dengan beragam ukuran tergantung pada mineralnya. Saluran-saluran ini memungkinkan pergerakan yang mudah dari ion ke struktur dan sebaliknya. Selain itu, zeolit juga memiliki ruang kosong yang besar dan menyerupai struktur sarang lebah.
Metal-organic framework (MOF)
Secara umum, MOF merupakan senyawa hibrida anorganik dan organik yang memiliki struktur teratur dengan kerapatan kurang dari 0,5 g/cm3. Luasnya permukaan dan volume pori membuat MOF sangat potensial untuk penyimpanan gas. Selain itu, menurut Li dan Huo (2015), MOF dikenal sebagai polimer koordinasi berpori. Polimer koordinasi berpori merupakan suatu kelas material polimerik terkristalisasi dan memiliki pori-pori yang terbentuk dari koordinasi ion atau kluster logam dengan ligan jembatan organik.
Dibandingkan dengan material berpori lain seperti zeolit, karbon aktif, dan silika mesopori, MOF menunjukkan kombinasi yang lebih baik karena adanya diversifikasi gugus fungsi pada kerangka kerjanya. Hal ini memungkinkan MOF untuk dimanfaatkan hingga di luar aplikasi tradisional material berpori (molekul penyimpanan, pemisahan, dan katalisis). Namun, dua peneliti ini juga menyebutkan bahwa kerapuhan gugus fungsi pada ligan dari MOF masih membatasi pengembangan dan aplikasi dari MOF.
Furukawa dkk., (2013) menyatakan bahwa MOF dapat dibuat dengan menautkan unit-unit anorganik dan organik. Unit organik berupa ditopik atau karboksilat organik politopik (dan beberapa molekul serupa yang bermuatan negatif lainnya) yang ketika ditautkan pada unit yang mengandung logam, akan diperoleh struktur kristalin MOF yang kerangkanya kuat dengan porositas lebih besar yaitu sekitar 50% dari volume kristal MOF. Nilai luas permukaan MOF sejenis ini yaitu antara 1000 hingga 10000 m2/g. Angka ini jauh melampaui material berpori lain seperti zeolit dan karbon.
Di bidang medis, MOF dapat digunakan pada pengantaran obat terutama untuk terapi dan diagnosis kanker. Banyak senyawa yang berbasis MOF telah dikembangkan pada tingkat aplikasi nanomedis, namun Wu dan Yang (2017) melaporkan bahwa masih terdapat banyak tantangan yang perlu diatasi sebelum nanokomposit ini dapat diterapkan secara klinis.
Meskipun banyak kemajuan dalam pengembangan membran zeolit lapis-tipis pendukung, pemisahan gas menggunakan membran zeolit untuk digunakan dalam skala industri belum dapat terwujud karena harganya masih relatif mahal. Namun secara umum, Rangnekar dkk. (2015) menilai bahwa peningkatan performa membran zeolit pendukung dan MOF untuk skala industri tetap akan menjadi tantangan masa kini.
Keberadaan MOF sebagai material “pendatang baru” merupakan kabar baik bagi industri. Namun, bukan berarti dunia akademik dan industri berhenti untuk mengembangkan kemampuan zeolit yang telah lebih dulu diaplikasikan di banyak industri. MOF menjadi angin segar karena memberikan alternatif lain yang penuh potensi untuk diaplikasikan.
Bahan Bacaan:
- Furukawa, H., Cordova, K.E., O’Keeffe, M., Yaghi, O.M., 2013, The Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks, Science, 341, 974.
- Kaduk, J.A., dan Faber, J., 1995, Crystal structure of zeolite Y as a function of ion exchange, RIGAKU J., 12 (2), 14-34.
- Lestari, W.W., 2014, Metal Organic Frameworks (MOFs): Material Multifungsi Penunjang Teknologi, Majalah 1000 guru, 2 (6), 13-16.
- Li, S., dan Huo, F., Metal-Organic Framework Composites: From Fundamentals to Applications, 2015, Nanoscale, 1-19.
- Polat, E., Karaca, M., Demir, H., dan Naci Onus, A., 2004, Use of Natural Zeolite (Clinoptilolite) in Agriculture, Fruit Ornam. Plant Res., 12, 183-189.
- Rangnekar, N., Mittal, N., Elyassi, B., Caro, J., dan Tsapatsis, M., 2015, Zeolite membranes – a review and comparison with MOFs, Soc. Rev., 44, 7128-7154.
- Yilmaz, B., Trukhan, N., dan Müller, U., 2012, Industrial Outlook on Zeolites and Metal Organic Frameworks, J. Catal., 33 (1), 3-10.
- Weckhuysen, B.M., dan Yu, J., 2015, Recent advances in zeolite chemistry and catalysis, Soc. Rev., 1-3.
- Wu, M., dan Yang, Y., 2017, Metal–Organic Framework (MOF)-Based Drug/Cargo Delivery and Cancer Therapy, Mater., 1-20.
Penulis:
Viny Alfiyah, Mahasiswi Departemen Kimia, FMIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
Kontak: alfiyahviny(at)gmail(dot)com.
