Bahan berongga - kunci untuk membantu saintis memenangi Hadiah Nobel dalam Kimia 2025

(Dan Tri) - Hadiah Nobel Kimia 2025 baru sahaja memberi penghormatan kepada tiga saintis yang mencipta rangka kerja logam-organik, membuka era baharu bagi teknologi untuk menyimpan, memisahkan dan memproses bahan di peringkat molekul.

Pada petang 8 Oktober, Akademi Sains Diraja Sweden mengumumkan bahawa Hadiah Nobel dalam Kimia 2025 diberikan kepada tiga saintis, Susumu Kitagawa, Richard Robson dan Omar M. Yaghi, atas sumbangan perintis mereka kepada pembangunan rangka kerja logam-organik (MOF).

Potret tiga saintis yang memenangi Hadiah Nobel dalam Kimia 2025.

Menurut Perhimpunan Nobel, ini adalah titik perubahan untuk pembentukan bahasa sains bahan yang benar-benar baru. Logam dan sebatian organik disambungkan secara rumit untuk membentuk rangkaian berliang yang mampu menyimpan, memisahkan dan mengubah molekul - arah yang dianggap revolusioner dalam teknologi tenaga moden, alam sekitar dan kimia.

Gabungan ajaib logam dan organik

Rangka kerja logam-organik ialah struktur kristal yang terdiri daripada ion logam atau gugusan logam yang dipautkan kepada penghubung organik dalam struktur berulang yang teratur, membentuk rangkaian tiga dimensi.

Dalam ruang antara nod logam dan molekul ikatan, terdapat lompang besar, menjadikan bahan ini sangat berliang. Tidak seperti bahan pepejal tradisional, luas permukaan rangka kerja logam-organik boleh mencapai beribu-ribu meter persegi setiap gram.

Struktur berongga di dalam rangka kerja logam-organik (Foto: MOF Technologies).

Bercakap kepada majalah Chemistry World pada 2017, Profesor Omar Yaghi berkata bahawa keliangan sesetengah MOF boleh mencapai 10,000 m2/gram (10 kali lebih besar daripada bahan berliang lain), satu gram MOF boleh memiliki kawasan permukaan dalaman yang setara dengan kira-kira dua padang bola sepak Amerika. Ciri inilah yang memberikan MOF keupayaan untuk menjerap, menyimpan atau memisahkan molekul secara terkawal, jauh lebih unggul daripada bahan berliang lain seperti zeolit ​​atau silika.

Menurut Jawatankuasa Nobel, ini adalah "bahan dengan keliangan yang belum pernah terjadi sebelumnya, namun masih mengekalkan kestabilan dan kemampanan struktur kristalnya." Terima kasih kepada keupayaan untuk menggabungkan fleksibiliti sebatian organik dengan ketahanan logam, rangka kerja logam-organik telah menjadi salah satu ciptaan paling penting dalam kimia abad ke-21.

Dari idea kepada revolusi saintifik

Pembangunan rangka kerja logam-organik adalah kisah yang menjangkau lebih tiga dekad, bermula dengan eksperimen pertama Richard Robson di Universiti Melbourne (Australia) pada akhir 1980-an.

Beliau mempelopori pembinaan rangka kerja logam-organik yang pertama, menyedari bahawa ikatan ion logam kepada molekul organik boleh mencipta struktur kristal yang memanjang dalam satu, dua atau tiga dimensi. Walau bagaimanapun, bahan awal ini selalunya tidak stabil dan runtuh apabila terdedah kepada pelarut atau suhu tinggi.

Ion logam dan molekul organik digabungkan dengan teliti untuk membentuk struktur yang serupa dengan rangka kerja tetrahedral logam (Imej: Akademi Sains Diraja Sweden).

Menjelang pertengahan 1990-an, Susumu Kitagawa, ketika itu di Universiti Kyoto, telah menunjukkan bahawa gas boleh menembusi dan bergerak di dalam rangka kerja kristal logam-organik yang telah diciptanya. Ini merupakan satu kejayaan besar, menunjukkan buat kali pertama bahawa bahan pepejal boleh berinteraksi secara dinamik dengan persekitaran mereka.

Juga dalam tempoh ini, Omar M. Yaghi, seorang ahli kimia muda Amerika, telah membangunkan kaedah sintesis yang menghasilkan rangka kerja logam-organik yang stabil dan termal dengan struktur yang ditakrifkan dengan tepat. Beliau meletakkan asas untuk konsep "kimia retikular" - pendekatan yang membolehkan penghubung sengaja blok bangunan molekul untuk membentuk kekisi kristal dengan sifat yang telah ditetapkan.

Struktur bahan stabil, MOF-5 - dicipta oleh Yaghi - mempunyai ruang padu (Imej: Akademi Sains Diraja Sweden).

Terima kasih kepada sumbangan tiga saintis, bidang penyelidikan baharu ini telah berkembang menjadi hala tuju bebas dalam kimia bahan moden, dengan berpuluh ribu struktur rangka kerja logam-organik disintesis dan digunakan dalam banyak bidang berteknologi tinggi.

Aplikasi lanjutan ciptaan abad ini

Penyelidikan menunjukkan bahawa, terima kasih kepada sifat "berliang lagi kuat" mereka, rangka kerja logam-organik boleh mengambil banyak peranan yang sebelum ini mustahil untuk bahan pepejal.

Siaran akhbar Jawatankuasa Nobel berkata bahawa rangka kerja logam-organik boleh digunakan untuk menyerap dan menyimpan CO₂ dalam struktur berliangnya, membantu mengurangkan pelepasan gas rumah hijau. Sesetengah rangka kerja logam-organik boleh menangkap wap air dari udara kering, padang pasir, menggunakan hanya kelembapan semula jadi di udara, menukar tenaga suria kepada air bersih. Ini dianggap sebagai teknologi yang sangat berguna untuk kawasan yang mempunyai sumber air yang terhad.

Terima kasih kepada kawasan permukaan yang tinggi dan selektiviti, MOF juga digunakan untuk menapis sebatian organik yang meruap, membuang logam berat atau bahan kimia toksik daripada air sisa, dan memisahkan gas mulia seperti helium atau hidrogen. Para saintis kini meneroka rangka kerja logam-organik untuk penyimpanan tenaga, terutamanya hidrogen dan metana - dua bahan api bersih yang berpotensi.

Ahli makmal penyelidikan Yaghi (Foto: Universiti California, Berkeley).

Perlu diingat bahawa Profesor Omar Yaghi juga memenangi Hadiah VinFuture pada tahun 2021, dalam kategori "Inovator Dengan Pencapaian Cemerlang Dalam Bidang Baru Muncul" (saintis menyelidik bidang baharu).

Penyelidikan mengenai MOF juga dianggap sebagai hala tuju pembangunan yang berpotensi untuk Vietnam, kerana negara itu mempromosikan transformasi hijau dan membangunkan bahan termaju untuk industri tenaga, alam sekitar dan bioperubatan.

Melalui program seperti VinFuture InnovaConnect, saintis Vietnam berpeluang untuk berhubung terus dengan komuniti penyelidikan antarabangsa, mengembangkan kerjasama dalam bidang baru muncul seperti MOF, bateri generasi akan datang atau penangkapan karbon.

Profesor Omar Yaghi pada Majlis Anugerah Hadiah VinFuture yang pertama.

Semasa pengumuman Hadiah Nobel 2025, Profesor Heiner Linke, Pengerusi Jawatankuasa Nobel Kimia, berkata:

“Rangka kerja logam-organik mempunyai potensi yang sangat besar, membuka peluang yang belum pernah berlaku sebelum ini untuk mencipta bahan kejuruteraan dengan sifat tersuai untuk tujuan baharu.”

Bahan-bahan ini berjanji untuk membantu menyelesaikan cabaran global seperti pencemaran udara, perubahan iklim, kekurangan air bersih dan simpanan tenaga boleh diperbaharui - masalah yang dihadapi manusia pada abad ke-21.

Mesej daripada Hadiah Nobel dalam Kimia 2025

Hadiah Nobel dalam Kimia 2025 bukan sahaja memberi penghormatan kepada tiga saintis cemerlang, tetapi juga menghantar mesej yang mendalam, cara pemikiran baharu dalam sains bahan: "kosong" bukan lagi sekadar kekosongan yang tidak bermakna, tetapi penuh dengan potensi.

Dari perspektif saintifik, penciptaan rangka kerja logam-organik mewakili anjakan daripada penemuan bahan kepada penciptaan bahan baharu. Manusia tidak lagi bergantung sepenuhnya kepada alam semula jadi, tetapi boleh mereka bentuk bahan baharu dengan struktur dan fungsi untuk tujuan tertentu.

Pengaruh rangka kerja logam-organik tidak berhenti pada aplikasi semasa, tetapi juga membuka jalan kepada pembangunan bahan generasi baharu, seperti: Rangka Kerja Organik Kovalen (COF) dan Rangka Kerja Zeolitik Imidazolat (ZIF) - dengan keupayaan yang serupa, atau lebih unggul, pada masa hadapan.

Banyak jenis struktur MOF lain telah disintesis, masing-masing berfungsi dengan fungsinya sendiri (Foto: Akademi Sains Diraja Sweden).

Daripada makmal kecil di mana kristal pertama ditanam, kepada visi sistem bahan yang boleh menapis gas toksik, "memerah air" dari udara dan menyimpan tenaga, perjalanan untuk membangunkan rangka kerja logam-organik menunjukkan semangat sains moden: inovasi, kerjasama antara disiplin dan pemacu untuk nilai yang mampan.

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