المواد المجوفة - المفتاح لمساعدة العلماء على الفوز بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025

(دان تري) - كرمت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 للتو ثلاثة علماء اخترعوا أطرًا معدنية عضوية، مما يفتح عصرًا جديدًا للتكنولوجيا لتخزين وفصل ومعالجة المادة على المستوى الجزيئي.

في عصر يوم 8 أكتوبر/تشرين الأول، أعلنت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم أن جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 ذهبت إلى ثلاثة علماء، هم سوسومو كيتاغاوا، وريتشارد روبسون، وعمر م. ياغي، لمساهماتهم الرائدة في تطوير الأطر المعدنية العضوية (MOFs).

صور العلماء الثلاثة الذين فازوا بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025.

وفقًا لجمعية نوبل، تُعدّ هذه الجائزة نقطة تحول في تشكيل لغة جديدة كليًا في علم المواد. ترتبط المعادن والمركبات العضوية ارتباطًا وثيقًا لتكوين شبكات مسامية قادرة على تخزين الجزيئات وفصلها وتحويلها، وهو اتجاه يُعتبر ثوريًا في تكنولوجيا الطاقة والبيئة والكيمياء الحديثة.

المزيج السحري بين المعدن والمواد العضوية

الهياكل المعدنية العضوية هي هياكل بلورية تتكون من أيونات معدنية أو مجموعات معدنية مرتبطة بروابط عضوية في بنية منظمة ومتكررة، وتشكل شبكة ثلاثية الأبعاد.

توجد فجوات كبيرة في الفراغ بين العقد المعدنية وجزيئات الرابطة، مما يجعل هذه المادة شديدة المسامية. وعلى عكس المواد الصلبة التقليدية، يمكن أن تصل مساحة سطح الهياكل المعدنية العضوية إلى آلاف الأمتار المربعة لكل غرام.

هيكل مجوف داخل إطار معدني عضوي (الصورة: MOF Technologies).

في حديثه لمجلة "عالم الكيمياء" عام ٢٠١٧، صرّح البروفيسور عمر ياغي بأنّ مسامية بعض الأطر العضوية المعدنية قد تصل إلى ١٠٠٠٠ متر مربع/غرام (أي عشرة أضعاف مسامية المواد المسامية الأخرى)، ويمكن أن يمتلك غرام واحد منها مساحة سطح داخلية تعادل حوالي ملعبي كرة قدم أمريكية. هذه الخاصية هي التي تمنح الأطر العضوية المعدنية القدرة على امتصاص الجزيئات وتخزينها وفصلها بطريقة مُحكمة، متفوقةً بذلك على المواد المسامية الأخرى مثل الزيوليت أو السيليكا.

وفقًا للجنة نوبل، هذه "مواد ذات مسامية غير مسبوقة في الطبيعة، ومع ذلك تحافظ على استقرار واستدامة بنيتها البلورية". بفضل قدرتها على الجمع بين مرونة المركبات العضوية ومتانة المعادن، أصبحت الأطر المعدنية العضوية من أهم اختراعات كيمياء القرن الحادي والعشرين.

من الفكرة إلى الثورة العلمية

إن تطوير الأطر المعدنية العضوية هي قصة تمتد لأكثر من ثلاثة عقود، بدءًا من التجارب الأولى التي أجراها ريتشارد روبسون في جامعة ملبورن (أستراليا) في أواخر الثمانينيات.

كان رائدًا في بناء أول الهياكل المعدنية العضوية، مدركًا أن ربط أيونات المعادن بالجزيئات العضوية يُمكن أن يُنتج هياكل بلورية تمتد في بُعد واحد أو بُعدين أو ثلاثة أبعاد. مع ذلك، غالبًا ما كانت هذه المواد المبكرة غير مستقرة، وتنهار عند تعرضها للمذيبات أو درجات الحرارة المرتفعة.

يتم دمج الأيونات المعدنية والجزيئات العضوية بعناية لتشكيل بنية مشابهة للإطار الرباعي السطوح المعدني (الصورة: الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم).

بحلول منتصف تسعينيات القرن الماضي، أثبت سوسومو كيتاغاوا، الذي كان يعمل آنذاك في جامعة كيوتو، أن الغاز قادر على اختراق الأطر البلورية المعدنية العضوية التي ابتكرها والتحرك داخلها. كان هذا إنجازًا كبيرًا، إذ أظهر لأول مرة قدرة المواد الصلبة على التفاعل ديناميكيًا مع محيطها.

خلال هذه الفترة أيضًا، طوّر الكيميائي الأمريكي الشاب عمر م. ياغي طريقةً لتخليق أطرٍ معدنية عضوية مستقرة حراريًا ذات هياكل محددة بدقة. وقد أرسى أسس مفهوم "الكيمياء الشبكية"، وهو نهج يسمح بالربط المتعمد بين وحدات البناء الجزيئية لتكوين شبكات بلورية ذات خصائص محددة مسبقًا.

تتكون بنية المادة المستقرة MOF-5 - التي ابتكرها ياغي - من مساحات مكعبة (الصورة: الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم).

بفضل مساهمات ثلاثة علماء، تطور هذا المجال البحثي الجديد إلى اتجاه مستقل في كيمياء المواد الحديثة، مع تصنيع عشرات الآلاف من الهياكل الإطارية المعدنية العضوية وتطبيقها في العديد من المجالات ذات التكنولوجيا العالية.

التطبيقات الموسعة لاختراع القرن

وتوضح الأبحاث أنه بفضل خصائصها "المسامية والقوية"، يمكن للأطر المعدنية العضوية أن تتولى العديد من الأدوار التي كانت مستحيلة في السابق بالنسبة للمواد الصلبة.

ذكر البيان الصحفي للجنة نوبل أنه يمكن استخدام الأطر المعدنية العضوية لامتصاص وتخزين ثاني أكسيد الكربون في هياكلها المسامية، مما يساعد على تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. تستطيع بعض الأطر المعدنية العضوية التقاط بخار الماء من هواء الصحراء الجاف، باستخدام الرطوبة الطبيعية للهواء فقط، وتحويل الطاقة الشمسية إلى مياه نظيفة. تُعتبر هذه التقنية مفيدة بشكل خاص للمناطق ذات الموارد المائية الشحيحة.

بفضل مساحة سطحها العالية وانتقائيتها، تُستخدم الأطر العضوية المعدنية أيضًا لتصفية المركبات العضوية المتطايرة، وإزالة المعادن الثقيلة أو المواد الكيميائية السامة من مياه الصرف الصحي، وفصل الغازات النبيلة مثل الهيليوم أو الهيدروجين. ويستكشف العلماء الآن أطرًا معدنية عضوية لتخزين الطاقة، وخاصة الهيدروجين والميثان - وهما نوعان محتملان من الوقود النظيف.

أعضاء مختبر الأبحاث ياغي (الصورة: جامعة كاليفورنيا، بيركلي).

ومن الجدير بالذكر أن البروفيسور عمر ياغي فاز أيضًا بجائزة VinFuture لعام 2021، في فئة "المبتكرين ذوي الإنجازات المتميزة في المجالات الناشئة" (العلماء الذين يبحثون في مجالات جديدة).

ويعتبر البحث في الأطر العضوية المعدنية أيضًا اتجاهًا تنمويًا محتملًا لفيتنام، حيث تعمل البلاد على تعزيز التحول الأخضر وتطوير المواد المتقدمة لصناعات الطاقة والبيئة والطب الحيوي.

ومن خلال برامج مثل VinFuture InnovaConnect، تتاح للعلماء الفيتناميين الفرصة للتواصل مباشرة مع مجتمع الأبحاث الدولي، وتوسيع التعاون في المجالات الناشئة مثل الأطر العضوية المعدنية، أو البطاريات من الجيل التالي، أو احتجاز الكربون.

الأستاذ عمر ياغي في حفل توزيع جوائز فين فيوتشر الأولى.

أثناء الإعلان عن جائزة نوبل لعام 2025، قال البروفيسور هاينر لينكه، رئيس لجنة نوبل للكيمياء:

"تتمتع الأطر المعدنية العضوية بإمكانيات هائلة، مما يفتح فرصًا غير مسبوقة لإنشاء مواد هندسية ذات خصائص مخصصة لأغراض جديدة."

وتتعهد هذه المواد بالمساعدة في حل التحديات العالمية مثل تلوث الهواء، وتغير المناخ، ونقص المياه النظيفة، وتخزين الطاقة المتجددة - وهي المشاكل التي تواجه البشرية في القرن الحادي والعشرين.

رسالة من جائزة نوبل في الكيمياء 2025

إن جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 لا تكرم ثلاثة علماء بارزين فحسب، بل ترسل أيضًا رسالة عميقة، وطريقة جديدة للتفكير في علم المواد: إن "الفراغ" لم يعد مجرد فراغ لا معنى له، بل أصبح مليئًا بالإمكانات.

من منظور علمي، يُمثل اختراع الهياكل المعدنية العضوية تحولاً من اكتشاف المواد إلى ابتكار مواد جديدة. لم يعد البشر يعتمدون كلياً على الطبيعة، بل أصبح بإمكانهم تصميم مواد جديدة ذات هياكل ووظائف محددة لغرض معين.

لا يتوقف تأثير الأطر المعدنية العضوية عند التطبيقات الحالية، بل يمهد الطريق أيضًا لتطوير جيل جديد من المواد، مثل: الأطر العضوية التساهمية (COFs) وأطر الإيميدازولات الزيوليتية (ZIFs) - ذات قدرات مماثلة، أو حتى متفوقة، في المستقبل.

لقد تم تصنيع العديد من الأنواع الأخرى من هياكل MOF، كل منها يؤدي وظيفته الخاصة (الصورة: الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم).

من المختبرات الصغيرة التي نمت فيها البلورات الأولى، إلى رؤية أنظمة المواد التي يمكنها تصفية الغازات السامة، و"استخراج الماء" من الهواء، وتخزين الطاقة، فإن الرحلة لتطوير الأطر المعدنية العضوية تجسد روح العلم الحديث: الابتكار، والتعاون بين التخصصات المتعددة، والدفع نحو القيمة المستدامة.

المصدر: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/vat-lieu-rong-chia-khoa-giup-cac-nha-khoa-hoc-gianh-nobel-hoa-hoc-2025-20251009215157748.htm