Artikkel

Lager verdifulle nanomaterialer i kjemi-kjelleren

CTO Sachin Maruti Chavan (f.v.), professor Unni Olsbye, forsker Cristina Sanz Pinilla og professor Karl Petter Lillerud jobber med å utvikle ProfMOF til en stor produsent av smarte nanomaterialer. Foto: Bjarne Røsjø, UiO. Bruk bildet.

Lager verdifulle nanomaterialer i kjemi-kjelleren

Oppstartsbedriften ProfMOF produserer avanserte nanomaterialer, med en kilopris som kan sammenliknes med 24 karat gull, på et laboratorium i kjelleren på Kjemisk institutt. Målet er å bli en verdensledende produsent.
Unni Olsbye
Professor Unni Olsbye med en "kule-pinne-modell" av det berømte materialet UiO-66, som stort sett består av hulrom. Foto: Gunhild M. Haugnes/UiO.  Bruk bildet.

UiO-66 er et porøst materiale som ble oppdaget ved Universitetet i Oslo (derav navnet) i 2007 og patentert året etter. Det har skapt så mye oppmerksomhet blant forskere at det nå publiseres omtrent én ny vitenskapelig artikkel om materialet hver dag.

Oppmerksomheten skyldes at materialet har mange mulige anvendelser, forteller professor Unni Olsbye ved Kjemisk institutt.

– Vi har for eksempel jobbet med å utvikle materialet slik at det kan brukes til å lagre metangass i drivstofftanker. Vi er også med i et EU-prosjekt som handler om å utvikle UiO-66 til en katalysator for fremstilling av utgangsstoffet for billig aids-medisin. Dessuten kan materialet brukes til separasjon, for eksempel av vann fra luft eller CO2 fra biogass, forteller Olsbye – bare for å nevne noen eksempler.

UiO-66 har alle disse mulighetene fordi stoffet har en spesiell, porøs struktur som gjør at mange ulike molekyler kan «fanges» inne i porene og holdes fast til de har reagert med andre molekyler, slik at det blir dannet et nytt – og nyttig – kjemisk stoff. UiO-66 kan med andre ord brukes til å lage mange ulike katalysatorer, som er en mye viktigere stoffgruppe enn folk flest aner.

UiO-66 og mof

  • UiO-66 er et krystallinsk materiale som er bygd opp rundt en «legokloss» med innskuddsmetallet zirkonium som et sentralt element. «Legoklossens» kjemiske formel er Zr6O4(OH)4.
  • Hver «legokloss» kan kobles til tolv fenylgrupper som peker i hver sin retning, og så kommer det en ny «legokloss» på den andre siden av hver fenylgruppe.
  • Rammeverket kan bygges ut på denne måten til det er så stort som forskerne bare vil. Porene oppstår mellom «legoklossene», som holdes fra hverandre av fenylgruppene.

Nettverket av porer i UiO-66 er så ekstremt at én milliliter av stoffet har en samlet overflate på ca. 1300 kvadratmeter. «Søstermaterialet» UiO-67 har en overflate på 2700 kvadratmeter pr. milliliter. Det betyr at du bare trenger noen få «sukkerbiter» av stoffet for å lage en overflate på størrelse med en internasjonal fotballbane, som måler ca. 7000 kvadratmeter.

Vil bli verdensledende

Historien om UiO-66 fikk en ny omdreining høsten 2015, da bedriften ProfMOF ble etablert med Kongsberg Innovasjon, Inven2 og en håndfull kjemikere som eiere. Bakgrunnen for bedriftsetableringen var at Unni Olsbye og kollega Karl Petter Lillerud fikk mange forespørsler – mest fra andre forskermiljøer – om å levere for eksempel ett gram, fem gram eller ti gram av ulike varianter av materialene.

– Denne produksjonen tok etterhvert så mye tid at vi valgte å etablere en bedrift, som nå leier lokaler i kjelleren på Kjemisk institutt. Den erfarne postdoktoren Sachin Maruti Chavan er Chief Technology Officer og «pott og panne» i selskapet, som allerede har en ganske solid omsetning, forteller Olsbye.

ProfMOF leverer nå opptil ett kilo skreddersydde nanomaterialer av gangen, det selges til forsknings- og utviklingsformål, i hovedsak gjennom selskapet STREM Chemicals. I tillegg samarbeider ProfMOF med selskapet MOF Application Services (MOFapps), som har en eksklusiv lisens til å selge materialene til industrielle formål.

uiomofs1
UiO-66 (t.v.) har én fenylgruppe mellom hver "legokloss". Med to fenylgrupper mellom klossene kalles materialet UiO-67, mens UiO-68 har tre fenylgrupper mellom klossene. Illustrasjon: Jasmina H. Cavka et al. Bruk bildet.

– Vi jobber med å skalere opp produksjonsprosessen, slik at MOFapps vil velge oss som foretrukket leverandør av materialene i tonn-skala. Målet vårt er å bli ledende i verden på å produsere slike materialer i stor skala, sier Olsbye.

Det må naturligvis føre til at ProfMOF flytter ut av kjelleren på Kjemisk institutt, helst før patentet går ut i 2028. Olsbye, Lillerud, Chavan og de andre proffmofferne har med andre ord god tid, men de holder uansett høy fart.

LES OGSÅ: Unni Olsbye kom inn i kjemiforskningens og naturgassens verden via sommerjobb på meieriet, en engasjerende lærer og en fransk pliktdate

Oppskalering og grønn syntese

MOF-forkortelsen som går igjen i to av firmanavnene skyldes at UiO-66 tilhører en stoffgruppe som kalles metallorganiske rammeverk (På engelsk: Metal Organic Frameworks). Navnet avslører at det sitter et metallatom på en sentral plass i en kjemisk «byggekloss» og at en tredimensjonal struktur bygges utover fra denne byggeklossen.

STREM Chemicals leverer i dag MOF-kjemikalier til en gjennomsnittspris på ca. 40 dollar (ca. 340 kroner) pr. gram, men prisen varierer etter hvilke spesifikasjoner kundene har bedt om. Prisen på UiO-66 kan med andre ord sammenliknes med 24 karat gull, som for tiden koster ca. 360 kroner pr. gram. Olsbye antyder at prisen må senkes langt under dette nivået når bedriften skal levere store kvanta til industrielle formål istedenfor små og spesiallagde kvanta til forskningsformål.

De ansatte i ProfMOF samarbeider tett med katalyseforskerne ved Kjemisk institutt, som har et felles mål om å oppskalere produksjonen og gå over til «grønn syntese». Det vil si at produksjonen av MOF-materialer i fremtiden skal foregå ved hjelp av vannbaserte istedenfor organiske løsningsmidler: Det blir både billigere og mer miljøvennlig.

Professor Olsbye forteller at mye av kostnaden ved å produsere UiO-66 ligger i arbeidsinnsatsen. Derfor blir det ikke nødvendigvis veldig mye dyrere å produsere for eksempel fem kilo istedenfor 500 gram.

SachinMarutiChavan1
Sachin Maruti Chavan er Chief Technology Officer i ProfMOF. Foto: Bjarne Røsjø Bruk bildet.

– Dette kan nesten sammenliknes med å lage mat: Man veier opp ingrediensene og varmer dem, og oppskaleringen blir som å lage en gryterett til to personer kontra å lage den samme retten til 20 personer. Det største problemet er å få til en ordentlig «røring», for å sikre at temperaturen og konsentrasjonen av de ulike ingrediensene er lik over alt inne i «gryta». Dette blir mer og mer vanskelig jo større «porsjoner» vi lager, forteller hun.

Gasslagring, kjøling og aids-medisin

UiO-forskerne har allerede en konkurrent i verdens største kjemiske konsern, BASF, som blant annet har utviklet MOF-stoffer til bruk for lagring av metan i drivstofftanker for store biler. Også ProfMOF var i ferd med å utforske denne muligheten, etter at skifergass-revolusjonen i USA ga tilgang til svært billig naturgass. Imidlertid falt bunnen ut av markedet da den internasjonale oljeprisen begynte å synke.

– En drivstofftank som allerede er fylt med et porøst MOF-materiale kan, utrolig nok, inneholde mye mer gass ved et gitt trykk enn hvis tanken var helt tom. Forklaringen er at gassmolekylene blir «fanget» inne i porene i MOF-materialene, forklarer Olsbye – som ikke ser bort fra at teknologien kan bli mer aktuell igjen hvis oljeprisen tar seg opp.

UiO-66-materialene har også vist lovende egenskaper som «kjølemiddel» i for eksempel fjellhaller eller andre rom med store dataservere. Beregninger tyder på at IKT-næringen i dag forårsaker CO2-utslipp på linje med verdens flytrafikk på global basis og at mye av utslippene kommer fra driften av datasentre og serverparker.

Energien brukes blant annet til kjøling av dataservere, og Olsbye ser for seg at forskerne kan skreddersy MOF-materialer som kan redusere energiforbruket i IKT-bransjen. Teknikken kalles sorptiv kjøling, og en variant av dette skal tas i bruk i Olav Thon Gruppens nye kontorbygg som åpner på Youngstorget i Oslo i 2018.

– Ideen går ut på at dataserverne kan stå i et rom med en viss luftfuktighet, og så dekker vi dem med et MOF-lag som adsorberer vann ved en temperatur som er typisk for en server som ikke er i bruk. Når serveren brukes, stiger temperaturen, slik at MOF-laget avgir vann til lufta i rommet. Da tar vanndampen med seg varme vekk fra serveren: Materialene våre fungerer altså omtrent som et kjøleskap som drives uten kompressorer og med vann som kjølemiddel, forteller Olsbye.

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi? Abonner på vårt ukentlige nyhetsbrev(link is external) eller følg oss på Facebook.

UiO-66 mot aids?

ProfMOF er også partner i et EU-prosjekt som ledes fra Universitetet i Leuven i Nederland. Her ligger ideen i en helt annen gate: Forskerne vil utvikle en ny katalysator for fremstilling av utgangsstoffet for billig aids-medisin, rettet mot markeder med lav betalingsevne.

– Vår rolle i det prosjektet er å produsere katalysatoren i mellomstor skala, forteller Olsbye.

Hun er ikke alene om å ha tro på UiO-66 OG ProfMOF. I 2016 fikk hun støtte fra Norges forskningsråds Toppforsk-ordning til prosjektet CONFINE (Unravelling the potential of confinement effects in catalysts and adsorbents). Prosjektnavnet henspiller på at MOF og andre porøse materialer «fanger» ulike molekyler inne i porene, og dette fører til at reaksjoner mellom molekylene inne i porene krever mindre energi enn de ville gjort hvis molekylene «møtte» hverandre i et åpnere rom.

I CONFINE-prosjektet skal forskerne undersøke hvordan de kan skreddersy reaksjonene inne i porene. ProfMOF har også fått støtte fra Forskningsrådets FORNY-program, som i 2015 bladde opp hele 12,5 millioner kroner til utviklingen av bedriften.

– Det jeg synes er veldig morsomt, er at vi kan drive med bedriftsutvikling i ProfMOF samtidig som vi driver grunnforskning på hvordan vi kan optimalisere materialet, oppsummerer Olsbye.

Kontakt:

Professor Unni Olsbye, Kjemisk institutt

Professor Karl Petter Lillerud, Kjemisk Institutt

Chief Technology Officer Sachin Maruti Chavan, ProfMOF

Les mer:

Unni Olsbye vinner av UiOs innovasjonspris

Mer på Titan.uio.no:

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også