Üreges anyagok – a kulcs a tudósok 2025-ös kémiai Nobel-díjának elnyeréséhez

(Dan Tri) - A 2025-ös kémiai Nobel-díjat három tudósnak ítélték oda, akik feltalálták a fémorganikus vázakat, új korszakot nyitva a molekuláris szintű anyagtárolás, -elválasztás és -feldolgozás technológiája számára.

Október 8-án délután a Svéd Királyi Tudományos Akadémia bejelentette, hogy a 2025-ös kémiai Nobel-díjat három tudós, Susumu Kitagawa, Richard Robson és Omar M. Yaghi kapta a fémorganikus vázak (MOF-ok) fejlesztéséhez való úttörő hozzájárulásukért.

A 2025-ös kémiai Nobel-díj három nyertesének portréja.

A Nobel-díjas közgyűlés szerint ez fordulópont az anyagtudomány egy teljesen új nyelvezetének kialakulásában. A fémek és a szerves vegyületek bonyolultan kapcsolódnak egymáshoz, porózus hálózatokat alkotva, amelyek képesek a molekulák tárolására, szétválasztására és átalakítására – ez az irány forradalminak számít a modern energia-, környezet- és kémiai technológiában.

A fém és az organikus anyagok varázslatos kombinációja

A fémorganikus vázak kristályos szerkezetek, amelyek fémionokból vagy fémklaszterekből állnak, amelyek szerves linkerekhez kapcsolódnak egy rendezett, ismétlődő szerkezetben, háromdimenziós hálózatot alkotva.

A fémcsomópontok és a kötőmolekulák közötti térben nagy üregek vannak, ami rendkívül porózussá teszi ezt az anyagot. A hagyományos szilárd anyagokkal ellentétben a fémorganikus vázak felülete elérheti a több ezer négyzetmétert grammonként.

Üreges szerkezet fémorganikus vázban (Fotó: MOF Technologies).

2017-ben Omar Yaghi professzor a Chemistry World magazinnak adott interjújában elmondta, hogy egyes MOF-ok porozitása elérheti a 10 000 m2/grammot (tízszer nagyobb, mint más porózus anyagoké), egy gramm MOF belső felülete körülbelül két amerikai futballpálya méretű lehet. Ez a tulajdonság adja meg a MOF-ok azon képességét, hogy a molekulákat szabályozott módon adszorbeálják, tárolják vagy elválasztják, ami sokkal jobb, mint más porózus anyagok, például a zeolit ​​vagy a szilícium-dioxid.

A Nobel-bizottság szerint ezek „olyan anyagok, amelyek a természetben példátlan porozitással rendelkeznek, mégis megőrzik kristályos szerkezetük stabilitását és fenntarthatóságát.” A szerves vegyületek rugalmasságának és a fémek tartósságának ötvözésének képességének köszönhetően a fémorganikus vázak a 21. századi kémia egyik legfontosabb találmányává váltak.

Az ötlettől a tudományos forradalomig

A fémorganikus vázak fejlesztése több mint három évtizedes történet, amely Richard Robson első kísérleteivel kezdődött a Melbourne-i Egyetemen (Ausztrália) az 1980-as évek végén.

Úttörő szerepet játszott az első fémorganikus vázak megépítésében, felismerve, hogy a fémionok szerves molekulákhoz való kötődése olyan kristályos szerkezeteket hozhat létre, amelyek egy, két vagy három dimenzióban kiterjednek. Ezek a korai anyagok azonban gyakran instabilak voltak, és oldószerek vagy magas hőmérséklet hatására összeomlottak.

A fémionokat és a szerves molekulákat gondosan kombinálják, hogy egy fémes tetraéderes vázhoz hasonló szerkezetet hozzanak létre (Kép: Svéd Királyi Tudományos Akadémia).

Az 1990-es évek közepére Kitagawa Szuszumu, aki akkor a Kiotói Egyetemen dolgozott, bebizonyította, hogy a gáz behatolhat az általa létrehozott fémorganikus kristályvázakba és mozoghat bennük. Ez jelentős áttörést jelentett, mivel elsőként bizonyította, hogy a szilárd anyagok dinamikusan kölcsönhatásba léphetnek a környezetükkel.

Szintén ebben az időszakban Omar M. Yaghi, egy fiatal amerikai vegyész, kifejlesztett egy szintézismódszert, amely stabil, termikusan stabil, pontosan meghatározott szerkezetű fémorganikus vázakat hozott létre. Ő fektette le a „retikuláris kémia” koncepciójának alapjait – egy olyan megközelítést, amely lehetővé teszi a molekuláris építőelemek szándékos összekapcsolását előre meghatározott tulajdonságokkal rendelkező kristályrácsok létrehozása érdekében.

A Yaghi által létrehozott stabil anyag, a MOF-5 szerkezete köbös terekkel rendelkezik (Kép: Svéd Királyi Tudományos Akadémia).

Három tudós hozzájárulásának köszönhetően ez az új kutatási terület a modern anyagkémiában önálló irányzattá fejlődött, több tízezer fémorganikus vázszerkezetet szintetizáltak és alkalmaztak számos high-tech területen.

A század találmányának kiterjesztett alkalmazásai

A kutatás azt mutatja, hogy „porózus, mégis erős” tulajdonságaiknak köszönhetően a fémorganikus vázak számos olyan szerepet tölthetnek be, amelyek korábban a szilárd anyagok számára lehetetlenek voltak.

A Nobel-bizottság sajtóközleménye szerint a fémorganikus vázak porózus szerkezetükben adszorbeálhatják és tárolhatják a CO₂-t, ami segít csökkenteni az üvegházhatású gázok kibocsátását. Egyes fémorganikus vázak képesek a száraz, sivatagi levegőből vízgőzt megkötni, kizárólag a levegő természetes páratartalmát felhasználva, a napenergiát tiszta vízzé alakítva. Ez különösen hasznos technológiának számít a szűkös vízkészletekkel rendelkező területeken.

Nagy felületüknek és szelektivitásuknak köszönhetően az MOF-okat illékony szerves vegyületek kiszűrésére, nehézfémek vagy mérgező vegyi anyagok eltávolítására a szennyvízből, valamint nemesgázok, például hélium vagy hidrogén elválasztására is használják. A tudósok jelenleg fémorganikus vázakat vizsgálnak energiatárolásra, különösen a hidrogén és a metán – két potenciálisan tiszta üzemanyag – esetében.

A Yaghi kutatólaboratórium tagjai (Fotó: Kaliforniai Egyetem, Berkeley).

Érdemes megjegyezni, hogy Omar Yaghi professzor 2021-ben szintén elnyerte a VinFuture-díjat az „Új területeken kiemelkedő eredményeket elérő innovátorok” (új területeket kutató tudósok) kategóriában.

A MOF-okkal kapcsolatos kutatásokat Vietnam potenciális fejlesztési irányának is tekintik, mivel az ország elősegíti a zöld átalakulást, és fejlett anyagokat fejleszt az energia-, a környezetvédelmi és az orvosbiológiai ipar számára.

Az olyan programokon keresztül, mint a VinFuture InnovaConnect, a vietnami tudósoknak lehetőségük van közvetlenül kapcsolatba lépni a nemzetközi kutatói közösséggel, bővítve az együttműködést olyan feltörekvő területeken, mint a MOF-ok, a következő generációs akkumulátorok vagy a szén-dioxid-leválasztás.

Omar Yaghi professzor az első VinFuture-díjátadó ünnepségen.

A 2025-ös Nobel-díj bejelentésekor Heiner Linke professzor, a kémiai Nobel-bizottság elnöke a következőket mondta:

„A fémorganikus vázak hatalmas potenciállal rendelkeznek, példátlan lehetőségeket nyitva meg új célokra szolgáló, testreszabott tulajdonságokkal rendelkező, tervezett anyagok létrehozására.”

Ezek az anyagok ígéretet tesznek arra, hogy segítenek megoldani az olyan globális kihívásokat, mint a légszennyezés, az éghajlatváltozás, a tiszta víz hiánya és a megújuló energiatárolás – olyan problémákat, amelyekkel az emberiség a 21. században szembesül.

Üzenet a 2025-ös kémiai Nobel-díj odaítéltjétől

A 2025-ös kémiai Nobel-díj nemcsak három kiemelkedő tudóst tüntet ki, hanem mély üzenetet is küld, egy új gondolkodásmódot az anyagtudományban: az „üres” már nem csupán egy értelmetlen űr, hanem tele van lehetőségekkel.

Tudományos szempontból a fémorganikus vázak feltalálása az anyagfelfedezéstől az új anyagok létrehozása felé való elmozdulást jelenti. Az emberek már nem függenek teljesen a természettől, hanem új anyagokat tervezhetnek bizonyos célú szerkezetekkel és funkciókkal.

A fémorganikus vázak hatása nem áll meg a jelenlegi alkalmazásoknál, hanem utat nyit az anyagok új generációjának fejlesztése előtt is, mint például a kovalens szerves vázak (COF-ok) és a zeolitos imidazolát vázak (ZIF-ek) – amelyek a jövőben hasonló, vagy akár jobb képességekkel is rendelkeznek majd.

Sok más típusú MOF-struktúrát is szintetizáltak, mindegyik a saját funkcióját tölti be (Fotó: Svéd Királyi Tudományos Akadémia).

A kis laboratóriumoktól, ahol az első kristályokat termesztették, egészen a mérgező gázokat kiszűrni, a levegőből „vizet kinyerni” és energiát tárolni képes anyagrendszerek víziójáig, a fémorganikus vázak fejlesztéséhez vezető út a modern tudomány szellemét példázza: az innovációt, az interdiszciplináris együttműködést és a fenntartható értékteremtés iránti törekvést.

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