Κοίλα υλικά - το κλειδί για να βοηθηθούν οι επιστήμονες να κερδίσουν το βραβείο Νόμπελ Χημείας του 2025

(Νταν Τρι) - Το βραβείο Νόμπελ Χημείας του 2025 μόλις τίμησε τρεις επιστήμονες που εφηύραν μεταλλο-οργανικά πλαίσια, ανοίγοντας μια νέα εποχή για την τεχνολογία αποθήκευσης, διαχωρισμού και επεξεργασίας ύλης σε μοριακό επίπεδο.

Το απόγευμα της 8ης Οκτωβρίου, η Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών ανακοίνωσε ότι το Νόμπελ Χημείας 2025 απονεμήθηκε σε τρεις επιστήμονες, τους Susumu Kitagawa, Richard Robson και Omar M. Yaghi, για την πρωτοποριακή τους συμβολή στην ανάπτυξη μεταλλο-οργανικών πλαισίων (MOFs).

Πορτρέτα των τριών επιστημόνων που κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ Χημείας 2025.

Σύμφωνα με την Επιτροπή Νόμπελ, αυτό αποτελεί σημείο καμπής για τη διαμόρφωση μιας εντελώς νέας γλώσσας στην επιστήμη των υλικών. Τα μέταλλα και οι οργανικές ενώσεις συνδέονται άρρηκτα μεταξύ τους σχηματίζοντας πορώδη δίκτυα ικανά να αποθηκεύουν, να διαχωρίζουν και να μετασχηματίζουν μόρια - μια κατεύθυνση που θεωρείται επαναστατική στη σύγχρονη ενεργειακή, περιβαλλοντική και χημική τεχνολογία.

Ο μαγικός συνδυασμός μετάλλου και οργανικού υλικού

Τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια είναι κρυσταλλικές δομές που αποτελούνται από μεταλλικά ιόντα ή μεταλλικές συστάδες συνδεδεμένες με οργανικούς συνδετήρες σε μια διατεταγμένη, επαναλαμβανόμενη δομή, σχηματίζοντας ένα τρισδιάστατο δίκτυο.

Στο χώρο μεταξύ των μεταλλικών κόμβων και των μορίων σύνδεσης, υπάρχουν μεγάλα κενά, καθιστώντας αυτό το υλικό εξαιρετικά πορώδες. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά στερεά υλικά, η επιφάνεια των μεταλλο-οργανικών πλαισίων μπορεί να φτάσει χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα ανά γραμμάριο.

Κοίλη δομή μέσα σε μεταλλο-οργανικό πλαίσιο (Φωτογραφία: MOF Technologies).

Μιλώντας στο περιοδικό Chemistry World το 2017, ο καθηγητής Omar Yaghi δήλωσε ότι το πορώδες ορισμένων MOF μπορεί να φτάσει τα 10.000 m2/γραμμάριο (10 φορές μεγαλύτερο από άλλα πορώδη υλικά), ένα γραμμάριο MOF μπορεί να έχει εσωτερική επιφάνεια ισοδύναμη με περίπου δύο γήπεδα αμερικανικού ποδοσφαίρου. Αυτό το χαρακτηριστικό δίνει στα MOF την ικανότητα να προσροφούν, να αποθηκεύουν ή να διαχωρίζουν μόρια με ελεγχόμενο τρόπο, πολύ ανώτερο από άλλα πορώδη υλικά όπως ο ζεόλιθος ή το πυρίτιο.

Σύμφωνα με την Επιτροπή Νόμπελ, πρόκειται για «υλικά με πρωτοφανή πορώδες στη φύση τους, τα οποία διατηρούν παράλληλα τη σταθερότητα και τη βιωσιμότητα των κρυσταλλικών δομών τους». Χάρη στην ικανότητα να συνδυάζουν την ευελιξία των οργανικών ενώσεων με την ανθεκτικότητα των μετάλλων, τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια έχουν γίνει μια από τις σημαντικότερες εφευρέσεις της χημείας του 21ου αιώνα.

Από την ιδέα στην επιστημονική επανάσταση

Η ανάπτυξη μεταλλο-οργανικών πλαισίων είναι μια ιστορία που εκτείνεται σε περισσότερες από τρεις δεκαετίες, ξεκινώντας με τα πρώτα πειράματα του Richard Robson στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης (Αυστραλία) στα τέλη της δεκαετίας του 1980.

Πρωτοστάτησε στην κατασκευή των πρώτων μεταλλο-οργανικών δομών, συνειδητοποιώντας ότι η σύνδεση μεταλλικών ιόντων με οργανικά μόρια μπορούσε να δημιουργήσει κρυσταλλικές δομές που εκτείνονταν σε μία, δύο ή τρεις διαστάσεις. Ωστόσο, αυτά τα πρώιμα υλικά ήταν συχνά ασταθή και κατέρρεαν όταν εκτέθηκαν σε διαλύτες ή υψηλές θερμοκρασίες.

Μεταλλικά ιόντα και οργανικά μόρια συνδυάζονται προσεκτικά για να σχηματίσουν μια δομή παρόμοια με ένα μεταλλικό τετραεδρικό πλαίσιο (Εικόνα: Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών).

Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1990, ο Susumu Kitagawa, τότε στο Πανεπιστήμιο του Κιότο, είχε αποδείξει ότι το αέριο μπορούσε να διεισδύσει και να κινηθεί μέσα στα μεταλλο-οργανικά κρυσταλλικά πλαίσια που είχε δημιουργήσει. Αυτή ήταν μια σημαντική ανακάλυψη, που αποδείκνυε για πρώτη φορά ότι τα στερεά υλικά μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν δυναμικά με το περιβάλλον τους.

Επίσης, κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ο Omar M. Yaghi, ένας νεαρός Αμερικανός χημικός, ανέπτυξε μια μέθοδο σύνθεσης που παρήγαγε σταθερά, θερμικά σταθερά μεταλλο-οργανικά πλαίσια με επακριβώς καθορισμένες δομές. Έθεσε τα θεμέλια για την έννοια της «δικτυωτής χημείας» - μιας προσέγγισης που επιτρέπει την σκόπιμη σύνδεση μοριακών δομικών στοιχείων για τον σχηματισμό κρυσταλλικών πλεγμάτων με προκαθορισμένες ιδιότητες.

Η δομή ενός σταθερού υλικού, του MOF-5 - που δημιουργήθηκε από τον Yaghi - έχει κυβικούς χώρους (Εικόνα: Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών).

Χάρη στη συμβολή τριών επιστημόνων, αυτός ο νέος ερευνητικός τομέας έχει εξελιχθεί σε μια ανεξάρτητη κατεύθυνση στη σύγχρονη χημεία υλικών, με δεκάδες χιλιάδες μεταλλο-οργανικές δομές πλαισίου να έχουν συντεθεί και να εφαρμόζονται σε πολλούς τομείς υψηλής τεχνολογίας.

Εκτεταμένες εφαρμογές της εφεύρεσης του αιώνα

Η έρευνα καταδεικνύει ότι, χάρη στις «πορώδεις αλλά ισχυρές» ιδιότητές τους, τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια μπορούν να αναλάβουν πολλούς ρόλους που προηγουμένως ήταν αδύνατοι για τα στερεά υλικά.

Το δελτίο τύπου της Επιτροπής Νόμπελ αναφέρει ότι τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσρόφηση και αποθήκευση CO₂ στις πορώδεις δομές τους, συμβάλλοντας στη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Ορισμένα μεταλλο-οργανικά πλαίσια μπορούν να δεσμεύσουν υδρατμούς από τον ξηρό αέρα της ερήμου, χρησιμοποιώντας μόνο τη φυσική υγρασία του αέρα, μετατρέποντας την ηλιακή ενέργεια σε καθαρό νερό. Αυτή θεωρείται μια ιδιαίτερα χρήσιμη τεχνολογία για περιοχές με περιορισμένους υδάτινους πόρους.

Χάρη στην υψηλή επιφάνειά τους και την επιλεκτικότητά τους, τα MOF χρησιμοποιούνται επίσης για το φιλτράρισμα πτητικών οργανικών ενώσεων, την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων ή τοξικών χημικών ουσιών από τα λύματα και τον διαχωρισμό ευγενών αερίων όπως το ήλιο ή το υδρογόνο. Οι επιστήμονες διερευνούν τώρα μεταλλο-οργανικά πλαίσια για την αποθήκευση ενέργειας, ιδίως υδρογόνου και μεθανίου - δύο πιθανά καθαρά καύσιμα.

Μέλη του ερευνητικού εργαστηρίου Yaghi (Φωτογραφία: Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Μπέρκλεϊ).

Αξίζει να σημειωθεί ότι ο καθηγητής Omar Yaghi κέρδισε επίσης το βραβείο VinFuture το 2021, στην κατηγορία «Καινοτόμοι με εξαιρετικά επιτεύγματα σε αναδυόμενους τομείς» (επιστήμονες που ερευνούν νέους τομείς).

Η έρευνα για τα MOF θεωρείται επίσης μια πιθανή κατεύθυνση ανάπτυξης για το Βιετνάμ, καθώς η χώρα προωθεί τον πράσινο μετασχηματισμό και αναπτύσσει προηγμένα υλικά για τις ενεργειακές, περιβαλλοντικές και βιοϊατρικές βιομηχανίες.

Μέσω προγραμμάτων όπως το VinFuture InnovaConnect, οι Βιετναμέζοι επιστήμονες έχουν την ευκαιρία να συνδεθούν απευθείας με τη διεθνή ερευνητική κοινότητα, επεκτείνοντας τη συνεργασία σε αναδυόμενους τομείς όπως τα MOF, οι μπαταρίες επόμενης γενιάς ή η δέσμευση άνθρακα.

Ο καθηγητής Ομάρ Γιάγκι στην πρώτη τελετή απονομής του βραβείου VinFuture.

Κατά την ανακοίνωση του βραβείου Νόμπελ 2025, ο καθηγητής Χάινερ Λίνκε, πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ Χημείας, δήλωσε:

«Τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια έχουν τεράστιες δυνατότητες, ανοίγοντας πρωτοφανείς ευκαιρίες για τη δημιουργία κατασκευασμένων υλικών με προσαρμοσμένες ιδιότητες για νέους σκοπούς».

Αυτά τα υλικά υπόσχονται να βοηθήσουν στην επίλυση παγκόσμιων προκλήσεων όπως η ατμοσφαιρική ρύπανση, η κλιματική αλλαγή, η έλλειψη καθαρού νερού και η αποθήκευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας – προβλήματα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα στον 21ο αιώνα.

Μήνυμα από το Βραβείο Νόμπελ Χημείας 2025

Το βραβείο Νόμπελ Χημείας του 2025 όχι μόνο τιμά τρεις εξαιρετικούς επιστήμονες, αλλά στέλνει και ένα βαθύ μήνυμα, έναν νέο τρόπο σκέψης στην επιστήμη των υλικών: το «κενό» δεν είναι πλέον απλώς ένα κενό χωρίς νόημα, αλλά είναι γεμάτο δυνατότητες.

Από επιστημονική άποψη, η εφεύρεση μεταλλο-οργανικών πλαισίων αντιπροσωπεύει μια μετατόπιση από την ανακάλυψη υλικών στη δημιουργία νέων υλικών. Οι άνθρωποι δεν εξαρτώνται πλέον πλήρως από τη φύση, αλλά μπορούν να σχεδιάσουν νέα υλικά με δομές και λειτουργίες για έναν συγκεκριμένο σκοπό.

Η επιρροή των μεταλλο-οργανικών πλαισίων δεν σταματά στις τρέχουσες εφαρμογές, αλλά ανοίγει επίσης το δρόμο για την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς υλικών, όπως: Ομοιοπολικά Οργανικά Πλαίσια (COF) και Ζεολιθικά Ιμιδαζολικά Πλαίσια (ZIF) - με παρόμοιες ή και ανώτερες δυνατότητες στο μέλλον.

Έχουν συντεθεί πολλοί άλλοι τύποι δομών MOF, καθένας από τους οποίους εξυπηρετεί τις δικές του λειτουργίες (Φωτογραφία: Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών).

Από τα μικρά εργαστήρια όπου καλλιεργήθηκαν οι πρώτοι κρύσταλλοι, μέχρι το όραμα των υλικών συστημάτων που μπορούν να φιλτράρουν τοξικά αέρια, να «στριμώξουν νερό» από τον αέρα και να αποθηκεύσουν ενέργεια, το ταξίδι για την ανάπτυξη μεταλλο-οργανικών πλαισίων αποτελεί παράδειγμα του πνεύματος της σύγχρονης επιστήμης: καινοτομία, διεπιστημονική συνεργασία και μια προσπάθεια για βιώσιμη αξία.

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