مواد توخالی - کلید کمک به دانشمندان برای کسب جایزه نوبل شیمی 2025

(دن تری) - جایزه نوبل شیمی سال ۲۰۲۵ به تازگی به سه دانشمندی که چارچوب‌های فلزی-آلی را اختراع کرده‌اند و دوران جدیدی را برای فناوری ذخیره‌سازی، جداسازی و پردازش ماده در سطح مولکولی گشوده‌اند، اهدا شده است.

بعدازظهر ۸ اکتبر، آکادمی سلطنتی علوم سوئد اعلام کرد که جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۵ به سه دانشمند، سوسومو کیتاگاوا، ریچارد رابسون و عمر ام. یاغی، به خاطر مشارکت‌های پیشگامانه‌شان در توسعه چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) اهدا شد.

پرتره‌هایی از سه دانشمند برنده جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۵.

به گفته‌ی مجمع نوبل، این نقطه‌ی عطفی برای شکل‌گیری زبانی کاملاً جدید در علم مواد است. فلزات و ترکیبات آلی به طور پیچیده‌ای به هم متصل شده‌اند تا شبکه‌های متخلخلی را تشکیل دهند که قادر به ذخیره‌سازی، جداسازی و تبدیل مولکول‌ها هستند - مسیری که انقلابی در فناوری انرژی، محیط زیست و شیمی مدرن محسوب می‌شود.

ترکیب جادویی فلز و مواد آلی

چارچوب‌های فلزی-آلی ساختارهای بلوری هستند که از یون‌های فلزی یا خوشه‌های فلزی متصل به پیونددهنده‌های آلی در یک ساختار منظم و تکرارشونده تشکیل شده‌اند و یک شبکه سه‌بعدی را تشکیل می‌دهند.

در فضای بین گره‌های فلزی و مولکول‌های پیوند، حفره‌های بزرگی وجود دارد که این ماده را بسیار متخلخل می‌کند. برخلاف مواد جامد سنتی، مساحت سطح چارچوب‌های فلزی-آلی می‌تواند به هزاران متر مربع در هر گرم برسد.

ساختار توخالی درون چارچوب فلزی-آلی (عکس: MOF Technologies).

پروفسور عمر یاغی در مصاحبه‌ای با مجله Chemistry World در سال ۲۰۱۷ گفت که تخلخل برخی از MOFها می‌تواند به ۱۰۰۰۰ متر مربع بر گرم (۱۰ برابر بزرگتر از سایر مواد متخلخل) برسد، یک گرم MOF می‌تواند مساحت سطح داخلی معادل حدود دو زمین فوتبال آمریکایی داشته باشد. این ویژگی است که به MOFها توانایی جذب، ذخیره یا جداسازی مولکول‌ها را به شیوه‌ای کنترل‌شده می‌دهد، که بسیار برتر از سایر مواد متخلخل مانند زئولیت یا سیلیس است.

به گفته کمیته نوبل، اینها «موادی با تخلخل بی‌سابقه در طبیعت هستند، اما همچنان پایداری و پایداری ساختارهای بلوری خود را حفظ می‌کنند.» به لطف توانایی ترکیب انعطاف‌پذیری ترکیبات آلی با دوام فلزات، چارچوب‌های فلزی-آلی به یکی از مهمترین اختراعات شیمی قرن بیست و یکم تبدیل شده‌اند.

از ایده تا انقلاب علمی

توسعه چارچوب‌های فلزی-آلی داستانی است که بیش از سه دهه قدمت دارد و با اولین آزمایش‌های ریچارد رابسون در دانشگاه ملبورن (استرالیا) در اواخر دهه 1980 آغاز شد.

او پیشگام ساخت اولین چارچوب‌های فلزی-آلی بود و متوجه شد که پیوند یون‌های فلزی با مولکول‌های آلی می‌تواند ساختارهای بلوری ایجاد کند که در یک، دو یا سه بعد امتداد می‌یابند. با این حال، این مواد اولیه اغلب ناپایدار بودند و در معرض حلال‌ها یا دمای بالا فرو می‌ریختند.

یون‌های فلزی و مولکول‌های آلی با دقت ترکیب می‌شوند تا ساختاری شبیه به یک چارچوب چهاروجهی فلزی تشکیل دهند (تصویر: آکادمی سلطنتی علوم سوئد).

تا اواسط دهه ۱۹۹۰، سوسومو کیتاگاوا، که در آن زمان در دانشگاه کیوتو بود، نشان داد که گاز می‌تواند به درون چارچوب‌های کریستالی فلزی-آلی که او ساخته بود نفوذ کرده و حرکت کند. این یک پیشرفت بزرگ بود و برای اولین بار نشان داد که مواد جامد می‌توانند به صورت پویا با محیط اطراف خود تعامل داشته باشند.

همچنین در این دوره، عمر ام. یاغی، شیمیدان جوان آمریکایی، روشی برای سنتز ابداع کرد که چارچوب‌های فلزی-آلی پایدار و از نظر حرارتی پایدار با ساختارهای دقیقاً تعریف‌شده تولید می‌کرد. او پایه و اساس مفهوم «شیمی شبکه‌ای» را بنا نهاد - رویکردی که امکان اتصال عمدی بلوک‌های سازنده مولکولی را برای تشکیل شبکه‌های کریستالی با خواص از پیش تعیین‌شده فراهم می‌کند.

ساختار یک ماده پایدار، MOF-5 - که توسط یاغی ساخته شده است - دارای فضاهای مکعبی است (تصویر: آکادمی سلطنتی علوم سوئد).

به لطف مشارکت سه دانشمند، این حوزه جدید تحقیقاتی به یک جهت مستقل در شیمی مواد مدرن تبدیل شده است، به طوری که ده‌ها هزار ساختار چارچوب فلزی-آلی سنتز و در بسیاری از زمینه‌های فناوری پیشرفته به کار گرفته شده‌اند.

کاربردهای گسترده اختراع قرن

این تحقیق نشان می‌دهد که به لطف خواص «متخلخل اما مستحکم»، چارچوب‌های فلزی-آلی می‌توانند نقش‌های بسیاری را که قبلاً برای مواد جامد غیرممکن بود، بر عهده بگیرند.

در بیانیه مطبوعاتی کمیته نوبل آمده است که چارچوب‌های فلزی-آلی می‌توانند برای جذب و ذخیره CO₂ در ساختارهای متخلخل خود استفاده شوند و به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کنند. برخی از چارچوب‌های فلزی-آلی می‌توانند بخار آب را از هوای خشک و بیابانی، تنها با استفاده از رطوبت طبیعی هوا، جذب کرده و انرژی خورشیدی را به آب تمیز تبدیل کنند. این یک فناوری به ویژه مفید برای مناطقی با منابع آب کمیاب محسوب می‌شود.

به لطف مساحت سطح بالا و گزینش‌پذیری آنها، از MOFها برای فیلتر کردن ترکیبات آلی فرار، حذف فلزات سنگین یا مواد شیمیایی سمی از فاضلاب و جداسازی گازهای نجیب مانند هلیوم یا هیدروژن نیز استفاده می‌شود. دانشمندان اکنون در حال بررسی چارچوب‌های فلزی-آلی برای ذخیره‌سازی انرژی، به ویژه هیدروژن و متان - دو سوخت پاک بالقوه - هستند.

اعضای آزمایشگاه تحقیقاتی یاغی (عکس: دانشگاه کالیفرنیا، برکلی).

شایان ذکر است که پروفسور عمر یاغی در سال ۲۰۲۱ نیز جایزه VinFuture را در بخش «نوآوران با دستاوردهای برجسته در حوزه‌های نوظهور» (دانشمندانی که در زمینه‌های جدید تحقیق می‌کنند) از آن خود کرد.

تحقیق در مورد MOFها همچنین یک مسیر توسعه بالقوه برای ویتنام در نظر گرفته می‌شود، زیرا این کشور در حال ترویج تحول سبز و توسعه مواد پیشرفته برای صنایع انرژی، محیط زیست و زیست پزشکی است.

دانشمندان ویتنامی از طریق برنامه‌هایی مانند VinFuture InnovaConnect این فرصت را دارند که مستقیماً با جامعه تحقیقاتی بین‌المللی ارتباط برقرار کنند و همکاری خود را در زمینه‌های نوظهوری مانند MOFها، باتری‌های نسل بعدی یا جذب کربن گسترش دهند.

پروفسور عمر یاغی در اولین مراسم اهدای جایزه VinFuture.

پروفسور هاینر لینکه، رئیس کمیته نوبل شیمی، در جریان اعلام جایزه نوبل ۲۰۲۵ گفت:

«چارچوب‌های فلزی-آلی پتانسیل عظیمی دارند و فرصت‌های بی‌سابقه‌ای را برای ایجاد مواد مهندسی‌شده با خواص سفارشی برای اهداف جدید فراهم می‌کنند.»

این مواد نویدبخش حل چالش‌های جهانی مانند آلودگی هوا، تغییرات اقلیمی، کمبود آب پاک و ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر هستند - مشکلاتی که بشر در قرن بیست و یکم با آنها روبرو است.

پیام جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۵

جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۵ نه تنها سه دانشمند برجسته را گرامی می‌دارد، بلکه پیامی عمیق، شیوه‌ای جدید از تفکر در علم مواد، را نیز ارسال می‌کند: «تهی» دیگر فقط یک خلأ بی‌معنی نیست، بلکه سرشار از پتانسیل است.

از دیدگاه علمی، اختراع چارچوب‌های فلزی-آلی نشان‌دهنده‌ی تغییر از کشف مواد به خلق مواد جدید است. انسان‌ها دیگر کاملاً به طبیعت وابسته نیستند، بلکه می‌توانند مواد جدیدی با ساختارها و عملکردها را برای یک هدف خاص طراحی کنند.

تأثیر چارچوب‌های فلزی-آلی به کاربردهای فعلی محدود نمی‌شود، بلکه راه را برای توسعه نسل جدیدی از مواد، مانند: چارچوب‌های آلی کووالانسی (COFs) و چارچوب‌های ایمیدازولات زئولیتی (ZIFs) - با قابلیت‌های مشابه یا حتی برتر - در آینده هموار می‌کند.

انواع بسیار دیگری از ساختارهای MOF سنتز شده‌اند که هر کدام وظایف خاص خود را انجام می‌دهند (عکس: آکادمی سلطنتی علوم سوئد).

از آزمایشگاه‌های کوچکی که اولین کریستال‌ها در آنها رشد داده شدند، تا چشم‌انداز سیستم‌های موادی که می‌توانند گازهای سمی را فیلتر کنند، از هوا «آب بگیرند» و انرژی را ذخیره کنند، سفر برای توسعه چارچوب‌های فلزی-آلی، نمونه‌ای از روح علم مدرن است: نوآوری، همکاری بین رشته‌ای و انگیزه‌ای برای ارزش پایدار.

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