狗的鼻子被认为是世界上其中一种至为强大的感应器。经过训练的狗只甚至能够藉著嗅闻病人身体，即可侦测到多种临床状况，例如血糖和胆固醇水平飙升的情况。在日常的临床检验当中，我们需要一种更加实用、更具成本效益的“嗅闻”方法。我的博士研究项目重点是开发一种新方法，使用一种称为金属有机框架的材料，将一个类似于“狗鼻子”的系统整合到我们的日常设备里。
图 1：Alex 身处化学实验室和纳米工程无尘室 — 其研究跨越材料科学、化学和纳米设备技术等不同学科
日常最广为人知的电子鼻是呼吸分析仪。接受呼吸测试的司机向呼吸分析仪呼气时，藏在这个设备里的感应器便会将受测试者呼吸中的浓度进行对比，从而测量他们体内的酒精含量。酒精分子与呼吸分析仪中的活性感应材料之间的化学相互作用会转化为电子讯号，让调查员读取结果。人的呼吸中的酒精相对较易侦测出来，因为酒精有特定的化学成分，而且酒精的浓度一般较高（即使受测试者没有过量喝酒）。但是，我们的呼吸中包含著很多由浓度非常低的气体分子组成的复杂混合物。要构建先进的电子鼻来侦测低浓度的特定分子并不容易（这里的低浓度是指百万分点浓度 (ppm) 级别，大约相当于一个奥运规格泳池里的一滴水）。幸好，化学和材料科学能够为克服这一限制提供解决方案。现在，我们可以使用一种称为金属有机框架 (MOF) 的材料来构建未来灵敏度甚高的电子鼻。
图 2：什么是金属有机框架？它们有什么独特之处？
透气材料由于具有气体吸附性能（感应器和气体储存）、实现化学过程的能力（化学品生产的催化作用）、能量储存能力（电池及其组件）以及另外多种优胜的应用特性，因而引起了科学界和工业界极大的兴趣。金属有机框架是这些透气材料的一个子分类，是在纳米层面的非常微小的透气海绵（尺寸只有人类头发直径大约 10 万分之一）。它们具有一些适合作为高价值应用的独特特性，例如可供整合到微电子设备之中。此外，这种在纳米层面的海绵状行为还可供用作高性能的隔离器，用以开发新一代的超级电脑所使用的速度更快的微处理器。
这怎样能当狗鼻子使用？
人的呼吸里含有多种气体分子，可用来推断个人的健康状况。与某些种类的疾病（例如肺癌）相关的特定气体分子是很难用普通的感应器侦测得到的。由于这些气体分子在分子层面上有特定的形状和大小，我们可以因应特定的气体分子来调整金属有机框架的形状，而该金属有机框架将被整合到电子设备之中，作为灵敏度高的感应器。这些金属有机框架的形状和大小可加以特别设计，从而让我们区分想要侦测的目标分子，例如可在人的呼吸中追踪到的疾病标记、有毒气体、甚至食物变坏后的气味。你和医生可以根据你的呼吸里某些分子的水平，知道是否应该对你的肺部进行更详细的检查。这些感应器的用途也可加以调整，用来检验家居或工作环境里的空气质量，又或者用来检查已放在冰箱里好几天的剩菜是否仍然适合食用。
图 3：这些功能可如何整合到智能手机当中？
為了在電子設備上實現金屬有機框架的工業規模整合，供作為這些用途的透氣材料之製造過程便需要符合一系列的嚴格要求：
- 那些金屬有機框架材料應可以以非常薄的薄膜形式進行沉積；及
- 那些金屬有機框架材料應可在使用極少甚至無需任何溶劑的情況下進行加工。
上述條件是至今為止已經在這方面進行測試的透氣材料（例如金屬有機框架）所遇上的關鍵技術瓶頸。在我的博士研究裏，採用製作微孔塗層的方法來解決以上兩個困難。這方法是我們實驗室最近開發，用來處理這類材料的技術，在沒有溶劑的情況下進行金屬有機框架薄膜沉積。
在溶液基礎上進行的金屬有機框架合成程序（通常是經過粉末製備實現）具有做法簡單、成本效益較高的優勢，但為實現設備整合，就必須要能將金屬有機框架製作成為可與生產設施兼容的塗層。傳統的製作方法仍然存在一些困難，例如發生腐蝕、污染和對製造過程缺乏控制等情況。此外，採用可持續的過程製造功能性材料，向來是綠色產業和環保工業流程的支柱之一。我的研究旨在藉著採用一種無溶劑、工業級別、可調整規模並與無塵室兼容的過程，來消除妨礙金屬有機框架在電子設備中實現商業整合的製造相關障礙。在此，我們對金屬有機框架採用了化學氣相沉積 (CVD) 的處理方法，這也是微製造技術的一個基石。
CVD 是一種主要的製造方法。它是一種幾乎可應用於所有材料（包括從太陽能電池以至老花眼鏡）的過程，也是生產先進電子產品所需的半導體製造過程的其中一個關鍵步驟。將CVD 方法擴展至這些類似海綿的金屬有機框架，將可產生高性能材料，以滿足固態設備日益嚴格的規格要求，即擴充摩爾定律。在原型 CVD 方法中，基質（通常是矽晶片）暴露於多種揮發性前體之下。這些前體會在基質表面發生反應，並沉積得出具有所需厚度和特性的薄膜。這可以是一個連續或批量處理的過程，通常能夠在一次暴露運作中塗覆數十甚至數百塊晶片。在開發的過程中，我們採用經輕微修改的 CVD 程序，在不使用溶劑的情況下生產金屬有機框架薄膜。這個新方法包括前體沉積步驟（通常採用金屬氧化物），然後對下一個前體進行蒸氣暴露（有機連接劑在特定溫度下揮發）。採用這種方法，能夠實現金屬有機框架薄膜的沉積，而且即使在複雜的幾何形態（例如有較高的深寬比特徵）上也可以做到一致的薄膜厚度，且可以對其進行控制和微調。此外，這種沉積技術可在達到無塵室製造標準的大型反應器上面使用。在學術和大規模生產場所裏，這一過程配合現有的微製造工序時所展現出的規模調節性，已證實有助於將金屬有機框架整合到與設備相關的應用上。
圖 4：化學氣相沉積
来源︰Cruz, A. J., Stassen, I. Krishtab, M., Marcoen, K., Stassin, T., Rodríguez-Hermida, S., Teyssandier, J., Pletincx, S., Verbeke, R., Rubio-Giménez, V., Tatay, S., Martí-Gastaldo, C., Meersschaut, J., Vereecken, P. M., De Feyter, S., Hauffman, T., and Ameloot, R., Integrated cleanroom process for the vapor-phase deposition of large-area zeolitic imidazolate framework thin films. Chemistry of Materials 31 (22), 9462−9471 (2019)
在更广泛的范围内，这种新开发的过程将会充分利用金属有机框架的巨大潜在工业用途（例如数码、光伏、数据储存及感应器等方面的用途）。此研究项目为提升这项技术的应用规模踏出了第一步。这项技术可以容易地被工业规模设施采用，以测试这些涂层在高价值行业中的性能表现。这项技术是一个重要的里程碑，标志著利用新颖、先进的应用方法达成商业效用的工作开启了一个新阶段。
通过采用 CVD，我们开发出一些方法，能够以价钱廉宜、高效率和可调节规模的方式，将这些金属有机框架材料整合到日常的电子设备。因此，到某一天，智能电话里的这些金属有机框架不单可以用来在机场侦测毒品（好像是缉毒犬的鼻子那样），还可以用于某些种类疾病的初期诊断，是对医疗保健行业作出革命性改变的一个巨大潜力。
参考资料︰
- https://www.sciencefiguredout.be/dogs-nose-your-smartphone
- https://amelootgroup.org/
- Cruz, A. J., Arnauts, G., Obst, M., Kravchenko, D., Vereecken, P. M., De Feyter, S., Stassen, I., Hauffman, T., and Ameloot, R., Effect of different oxide and hybrid precursors on MOF-CVD of ZIF-8 films. Dalton Transactions 50, 6784-6788 (2021) Link to Publisher
- Cruz, A. J., Stassen, I. Krishtab, M., Marcoen, K., Stassin, T., Rodríguez-Hermida, S., Teyssandier, J., Pletincx, S., Verbeke, R., Rubio-Giménez, V., Tatay, S., Martí-Gastaldo, C., Meersschaut, J., Vereecken, P. M., De Feyter, S., Hauffman, T., and Ameloot, R., Integrated cleanroom process for the vapor-phase deposition of large-area zeolitic imidazolate framework thin films. Chemistry of Materials 31 (22), 9462−9471 (2019). Link to Publisher
- Krishtab, M., Stassen, I., Stassin, T., Cruz, A. J., Okudur, O. O., Armini, S., Wilson, C., De Gendt, S., and Ameloot, R., Vapor-deposited zeolitic imidazolate frameworks as gap-filling ultra-low-k dielectrics. Nature Communications 10, 3729 (2019).
- Smets, J., Cruz, A. J., Rubio-Giménez, V., Tietze, M. L., Kravchenko, D. E., Arnauts, G., Matavž, A., Wauteraerts, N., Tu, M., Marcoen, K., Imaz, I., Maspoch, D., Korytov, M., Vereecken, P. M., De Feyter, S., Hauffman, T., and, Ameloot, R., Molecular Layer Deposition of Zeolitic Imidazolate Framework-8 Films. Chemistry of Materials, (2023). Link to Publisher
作者︰ Dr Alexander John Cruz, Technology Integration Leader - Climate Technology Solutions, Baker Hughes
Alex 是 Baker Hughes 气候技术解决方案的工程与科技整合主管，负责监督研发、工程策略、能力发展和创新工作。单是在 2022 年，Alex 便已获得 "国际纯化学和应用化学联合会 (IUPAC) 与索尔维杰出科学家奖"以及"ALLY Energy 环境、社会、管治与气候冠军奖"。此外，他在多个能源转型领域的不同行业团体担任职位，包括是国际能源署温室气体研究计划执行委员会委员。他具有生物科学工程和工程科学双博士学位。
2023年6月