חומרים חלולים - המפתח שיעזור למדענים לזכות בפרס נובל לכימיה לשנת 2025

(דן טרי) - פרס נובל לכימיה לשנת 2025 הוענק זה עתה לשלושה מדענים שהמציאו מסגרות מתכת-אורגניות, ופתח עידן חדש בטכנולוגיה לאחסון, הפרדה ועיבוד חומר ברמה המולקולרית.

אחר הצהריים של ה-8 באוקטובר, הודיעה האקדמיה המלכותית השוודית למדעים כי פרס נובל לכימיה לשנת 2025 הוענק לשלושה מדענים, סוסומו קיטאגאווה, ריצ'רד רובסון ועומר מ. יאגי, על תרומתם החלוצית לפיתוח של מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs).

דיוקנאות של שלושת המדענים שזכו בפרס נובל לכימיה לשנת 2025.

על פי כנס פרס נובל, זוהי נקודת מפנה ביצירת שפה חדשה לחלוטין של מדע החומרים. מתכות ותרכובות אורגניות מחוברות באופן מורכב ליצירת רשתות נקבוביות המסוגלות לאגור, להפריד ולשנות מולקולות - כיוון הנחשב מהפכני בטכנולוגיית האנרגיה, הסביבה והכימיה המודרנית.

השילוב הקסום של מתכת ואורגני

מסגרות מתכת-אורגניות הן מבנים גבישיים המורכבים מיוני מתכת או אשכולות מתכת המקושרים לקשרים אורגניים במבנה מסודר וחוזר על עצמו, ויוצרים רשת תלת-ממדית.

במרחב שבין צמתי המתכת למולקולות הקישור, ישנם חללים גדולים, מה שהופך את החומר הזה לנקבובי ביותר. בניגוד לחומרים מוצקים מסורתיים, שטח הפנים של מסגרות מתכת-אורגניות יכול להגיע לאלפי מטרים רבועים לגרם.

מבנה חלול בתוך מסגרת מתכת-אורגנית (צילום: MOF Technologies).

בראיון למגזין Chemistry World בשנת 2017, אמר פרופסור עומר יגי כי נקבוביותם של חלק מה-MOFs יכולה להגיע ל-10,000 מ"ר/גרם (פי 10 מחומרים נקבוביים אחרים), שגרם אחד של MOF יכול להיות בעל שטח פנים פנימי השווה לכשני מגרשי פוטבול אמריקאיים. מאפיין זה הוא שמעניק ל-MOFs את היכולת לספוג, לאחסן או להפריד מולקולות באופן מבוקר, עדיף בהרבה על חומרים נקבוביים אחרים כמו זאוליט או סיליקה.

על פי ועדת נובל, מדובר ב"חומרים בעלי נקבוביות חסרת תקדים באופיים, אך עדיין שומרים על יציבות וקיימות של המבנים הגבישיים שלהם". הודות ליכולת לשלב את הגמישות של תרכובות אורגניות עם העמידות של מתכות, מסגרות מתכת-אורגניות הפכו לאחת ההמצאות החשובות ביותר של הכימיה של המאה ה-21.

מרעיון למהפכה מדעית

פיתוחן של מסגרות מתכת-אורגניות הוא סיפור המשתרע על פני יותר משלושה עשורים, החל בניסויים הראשונים של ריצ'רד רובסון באוניברסיטת מלבורן (אוסטרליה) בסוף שנות ה-80.

הוא היה חלוץ בבניית המסגרות המתכתיות-אורגניות הראשונות, והבין שקישור יוני מתכת למולקולות אורגניות יכול ליצור מבנים גבישיים המשתרעים בממד אחד, שניים או שלושה. עם זאת, חומרים מוקדמים אלה היו לעתים קרובות לא יציבים וקרסו כאשר נחשפו לממסים או לטמפרטורות גבוהות.

יוני מתכת ומולקולות אורגניות משולבים בקפידה ליצירת מבנה הדומה למסגרת טטרהדרלית מתכתית (תמונה: האקדמיה המלכותית השוודית למדעים).

עד אמצע שנות ה-90, סוסומו קיטאגאווה, אז באוניברסיטת קיוטו, הוכיח שגז יכול לחדור ולנוע בתוך מסגרות גבישיות מתכתיות-אורגניות שיצר. זו הייתה פריצת דרך משמעותית, שהדגימה לראשונה שחומרים מוצקים יכולים לתקשר באופן דינמי עם סביבתם.

כמו כן, במהלך תקופה זו, עומר מ. יאגי, כימאי אמריקאי צעיר, פיתח שיטת סינתזה שיצרה מסגרות מתכת-אורגניות יציבות ויציבות תרמית עם מבנים מוגדרים במדויק. הוא הניח את היסודות למושג "כימיה רשתית" - גישה המאפשרת קישור מכוון של אבני בניין מולקולריות ליצירת סריגים גבישיים בעלי תכונות קבועות מראש.

למבנה של חומר יציב, MOF-5 - שנוצר על ידי יאגי - יש מרחבים קוביים (תמונה: האקדמיה המלכותית השוודית למדעים).

הודות לתרומתם של שלושה מדענים, תחום מחקר חדש זה התפתח לכיוון עצמאי בכימיה מודרנית של חומרים, עם עשרות אלפי מבני מסגרת מתכת-אורגנית שסונתזו ויושמו בתחומי טכנולוגיה מתקדמת רבים.

יישומים מורחבים של המצאת המאה

המחקר מדגים כי הודות לתכונותיהם "הנקבוביות אך החזקות", מסגרות מתכת-אורגניות יכולות למלא תפקידים רבים שהיו בלתי אפשריים בעבר עבור חומרים מוצקים.

בהודעה לעיתונות של ועדת פרס נובל נאמר כי ניתן להשתמש במסגרות מתכת-אורגניות כדי לספוג ולאגור CO₂ במבנים הנקבוביים שלהן, ובכך לסייע בהפחתת פליטות גזי חממה. חלק מהמסגרות המתכת-אורגניות יכולות ללכוד אדי מים מאוויר מדברי יבש, תוך שימוש בלחות הטבעית באוויר בלבד, ולהמיר אנרגיה סולארית למים נקיים. טכנולוגיה זו נחשבת לטכנולוגיה שימושית במיוחד עבור אזורים עם משאבי מים נדירים.

הודות לשטח הפנים הגבוה ולסלקטיביות שלהם, MOFs משמשים גם לסינון תרכובות אורגניות נדיפות, להסרת מתכות כבדות או כימיקלים רעילים משפכים, ולהפרדת גזים אצילים כמו הליום או מימן. מדענים חוקרים כעת מסגרות מתכת-אורגניות לאגירת אנרגיה, במיוחד מימן ומתאן - שני דלקים נקיים פוטנציאליים.

חברי מעבדת המחקר של יאגי (צילום: אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי).

ראוי לציין כי פרופסור עומר יגי זכה גם בפרס VinFuture בשנת 2021, בקטגוריה "חדשנים בעלי הישגים יוצאי דופן בתחומים מתפתחים" (מדענים החוקרים תחומים חדשים).

מחקר על MOFs נחשב גם הוא לכיוון פיתוח פוטנציאלי עבור וייטנאם, שכן המדינה מקדמת טרנספורמציה ירוקה ומפתחת חומרים מתקדמים לתעשיות האנרגיה, הסביבה והביו-רפואיות.

באמצעות תוכניות כמו VinFuture InnovaConnect, למדענים וייטנאמים יש הזדמנות להתחבר ישירות לקהילת המחקר הבינלאומית, ולהרחיב את שיתוף הפעולה בתחומים מתפתחים כמו סוללות MOF, סוללות מהדור הבא או לכידת פחמן.

פרופסור עומר יגי בטקס הענקת פרס VinFuture הראשון.

במהלך ההכרזה על פרס נובל לשנת 2025, אמר פרופסור היינר לינקה, יו"ר ועדת נובל לכימיה:

"למסגרות מתכת-אורגניות יש פוטנציאל עצום, והוא פותח הזדמנויות חסרות תקדים ליצירת חומרים מהונדסים בעלי תכונות מותאמות אישית למטרות חדשות."

חומרים אלה מבטיחים לסייע בפתרון אתגרים עולמיים כמו זיהום אוויר, שינויי אקלים, מחסור במים נקיים ואחסון אנרגיה מתחדשת - בעיות העומדות בפני האנושות במאה ה-21.

מסר מפרס נובל לכימיה 2025

פרס נובל לכימיה לשנת 2025 לא רק מכבד שלושה מדענים מצטיינים, אלא גם שולח מסר עמוק, דרך חשיבה חדשה במדעי החומרים: ה"ריק" כבר אינו רק חלל חסר משמעות, אלא מלא פוטנציאל.

מנקודת מבט מדעית, המצאת מסגרות מתכת-אורגניות מייצגת מעבר מגילוי חומרים ליצירת חומרים חדשים. בני אדם אינם תלויים עוד לחלוטין בטבע, אלא יכולים לתכנן חומרים חדשים בעלי מבנים ותפקודים למטרה מסוימת.

השפעתן של מסגרות מתכת-אורגניות אינה עוצרת ביישומים עכשוויים, אלא גם סוללת את הדרך לפיתוח דור חדש של חומרים, כגון: מסגרות אורגניות קוולנטיות (COFs) ומסגרות זאוליטיות אימידאזולאט (ZIFs) - בעלות יכולות דומות, או אף עדיפות, בעתיד.

סוגים רבים אחרים של מבני MOF סונתזו, כל אחד ממלא את תפקידיו (צילום: האקדמיה המלכותית השוודית למדעים).

מהמעבדות הקטנות שבהן גודלו הגבישים הראשונים, ועד לחזון של מערכות חומריות שיכולות לסנן גזים רעילים, "לסחוט מים" מהאוויר ולאגור אנרגיה, המסע לפיתוח מסגרות מתכת-אורגניות מדגים את רוח המדע המודרני: חדשנות, שיתוף פעולה בין-תחומי ושאיפה לערך בר-קיימא.

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