Duté materiály – klíč k tomu, aby vědci získali Nobelovu cenu za chemii za rok 2025

(Dan Tri) - Nobelova cena za chemii za rok 2025 právě ocenila tři vědce, kteří vynalezli struktury na bázi kovů a organických sloučenin, čímž zahájili novou éru technologií pro ukládání, separaci a zpracování hmoty na molekulární úrovni.

Odpoledne 8. října oznámila Královská švédská akademie věd , že Nobelovu cenu za chemii za rok 2025 získali tři vědci, Susumu Kitagawa, Richard Robson a Omar M. Yaghi, za jejich průkopnický přínos k vývoji metalo-organických struktur (MOF).

Portréty tří vědců, kteří získali Nobelovu cenu za chemii za rok 2025.

Podle Nobelova shromáždění se jedná o zlomový bod pro formování zcela nového jazyka materiálové vědy. Kovy a organické sloučeniny jsou složitě propojeny a vytvářejí porézní sítě schopné ukládat, oddělovat a transformovat molekuly – směr považovaný za revoluční v moderní energetické, environmentální a chemické technologii.

Magická kombinace kovu a organického materiálu

Metalo-organické struktury jsou krystalické struktury složené z kovových iontů nebo kovových shluků spojených s organickými linkery v uspořádané, opakující se struktuře, tvořící trojrozměrnou síť.

V prostoru mezi kovovými uzly a vazebnými molekulami se nacházejí velké dutiny, díky čemuž je tento materiál extrémně porézní. Na rozdíl od tradičních pevných materiálů může povrchová plocha kovově-organických struktur dosáhnout tisíců metrů čtverečních na gram.

Dutá struktura uvnitř kovovo-organické konstrukce (Foto: MOF Technologies).

V rozhovoru pro časopis Chemistry World v roce 2017 profesor Omar Yaghi uvedl, že pórovitost některých MOF může dosáhnout 10 000 m²/gram (10krát větší než u jiných porézních materiálů), přičemž jeden gram MOF může mít vnitřní povrch odpovídající přibližně dvěma americkým fotbalovým hřištím. Právě tato vlastnost dává MOF schopnost adsorbovat, ukládat nebo oddělovat molekuly kontrolovaným způsobem, což je mnohem lepší než u jiných porézních materiálů, jako je zeolit ​​nebo oxid křemičitý.

Podle Nobelova výboru se jedná o „materiály s nebývalou porézností, které si přitom zachovávají stabilitu a udržitelnost svých krystalických struktur.“ Díky schopnosti kombinovat flexibilitu organických sloučenin s trvanlivostí kovů se metalo-organické struktury staly jedním z nejdůležitějších vynálezů chemie 21. století.

Od nápadu k vědecké revoluci

Vývoj metalo-organických struktur je příběh trvající více než tři desetiletí, počínaje prvními experimenty Richarda Robsona na Univerzitě v Melbourne (Austrálie) na konci 80. let 20. století.

Byl průkopníkem v konstrukci prvních kovově-organických struktur a uvědomil si, že vazba kovových iontů na organické molekuly může vytvořit krystalické struktury, které se rozprostírají v jednom, dvou nebo třech rozměrech. Tyto rané materiály však byly často nestabilní a hroutily se při vystavení rozpouštědlům nebo vysokým teplotám.

Kovové ionty a organické molekuly jsou pečlivě kombinovány a vytvářejí strukturu podobnou kovovému tetraedrickému rámu (Obrázek: Královská švédská akademie věd).

V polovině 90. let 20. století Susumu Kitagawa, tehdy pracující na Kjótské univerzitě, prokázal, že plyn může pronikat a pohybovat se uvnitř jím vytvořených krystalických struktur z kovu a organických materiálů. To byl zásadní průlom, který poprvé demonstroval, že pevné materiály mohou dynamicky interagovat se svým okolím.

Také v tomto období vyvinul mladý americký chemik Omar M. Yaghi metodu syntézy, která produkovala stabilní, tepelně stabilní kovovo-organické struktury s přesně definovanými strukturami. Položil základy konceptu „retikulární chemie“ – přístupu, který umožňuje záměrné propojení molekulárních stavebních bloků za vzniku krystalických mřížek s předem určenými vlastnostmi.

Struktura stabilního materiálu MOF-5 – vytvořeného Yaghim – má kubické prostory (Obrázek: Královská švédská akademie věd).

Díky příspěvkům tří vědců se tato nová oblast výzkumu rozvinula v nezávislý směr v moderní chemii materiálů s desítkami tisíc syntetizovaných struktur na bázi organokovových struktur, které se používají v mnoha high-tech oblastech.

Rozšířené aplikace vynálezu století

Výzkum ukazuje, že díky svým „porézním, ale pevným“ vlastnostem mohou kovovo-organické struktury převzít mnoho rolí, které dříve u pevných materiálů nebyly možné.

Tisková zpráva Nobelova výboru uvádí, že organokovové struktury lze použít k adsorpci a ukládání CO₂ ve svých porézních strukturách, což pomáhá snižovat emise skleníkových plynů. Některé organokovové struktury dokáží zachycovat vodní páru ze suchého pouštního vzduchu, přičemž využívají pouze přirozenou vlhkost vzduchu a přeměňují sluneční energii na čistou vodu. To je považováno za obzvláště užitečnou technologii pro oblasti s omezenými vodními zdroji.

Díky vysokému povrchu a selektivitě se MOF používají také k filtrování těkavých organických sloučenin, odstraňování těžkých kovů nebo toxických chemikálií z odpadních vod a k separaci vzácných plynů, jako je helium nebo vodík. Vědci nyní zkoumají metalo-organické struktury pro skladování energie, zejména vodíku a metanu – dvou potenciálních čistých paliv.

Členové výzkumné laboratoře Yaghi (Foto: Kalifornská univerzita, Berkeley).

Za zmínku stojí, že profesor Omar Yaghi také v roce 2021 získal cenu VinFuture Prize v kategorii „Inovátoři s vynikajícími výsledky v rozvíjejících se oblastech“ (vědci zkoumající nové oblasti).

Výzkum MOF je také považován za potenciální směr rozvoje Vietnamu, protože země podporuje zelenou transformaci a vyvíjí pokročilé materiály pro energetický, environmentální a biomedicínský průmysl.

Prostřednictvím programů, jako je VinFuture InnovaConnect, mají vietnamští vědci možnost přímo se spojit s mezinárodní výzkumnou komunitou a rozšiřovat spolupráci v nově vznikajících oblastech, jako jsou MOF, baterie nové generace nebo zachycování uhlíku.

Profesor Omar Yaghi na prvním slavnostním předávání cen VinFuture.

Během oznámení Nobelovy ceny za rok 2025 profesor Heiner Linke, předseda Nobelova výboru pro chemii, řekl:

„Metal-organické struktury mají obrovský potenciál a otevírají nebývalé příležitosti k vytváření technických materiálů s vlastnostmi přizpůsobenými pro nové účely.“

Tyto materiály slibují pomoc při řešení globálních problémů, jako je znečištění ovzduší, změna klimatu, nedostatek čisté vody a skladování obnovitelné energie – problémů, kterým lidstvo čelí v 21. století.

Poselství z Nobelovy ceny za chemii za rok 2025

Nobelova cena za chemii za rok 2025 nejen oceňuje tři vynikající vědce, ale také vysílá hluboké poselství, nový způsob myšlení v materiálové vědě: „prázdnota“ už není jen bezvýznamnou prázdnotou, ale je plná potenciálu.

Z vědeckého hlediska představuje vynález metalo-organických struktur posun od objevování materiálů k vytváření nových materiálů. Lidé již nejsou zcela závislí na přírodě, ale mohou navrhovat nové materiály se strukturami a funkcemi pro určitý účel.

Vliv organokovových struktur se neomezuje pouze na současné aplikace, ale také připravuje cestu pro vývoj nové generace materiálů, jako jsou: kovalentní organické struktury (COF) a zeolitické imidazolátové struktury (ZIF) – s podobnými, nebo dokonce lepšími schopnostmi v budoucnu.

Bylo syntetizováno mnoho dalších typů MOF struktur, z nichž každá plní své vlastní funkce (Foto: Královská švédská akademie věd).

Od malých laboratoří, kde byly pěstovány první krystaly, až po vizi materiálových systémů, které dokáží filtrovat toxické plyny, „vytlačovat vodu“ ze vzduchu a ukládat energii, cesta k vývoji kovově-organických struktur je příkladem ducha moderní vědy: inovace, interdisciplinární spolupráce a úsilí o udržitelné hodnoty.

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