Holle materialen - de sleutel tot het winnen van de Nobelprijs voor Scheikunde in 2025 door wetenschappers

(Dan Tri) - De Nobelprijs voor Scheikunde van 2025 heeft zojuist drie wetenschappers geëerd die metaal-organische raamwerken hebben uitgevonden. Daarmee is een nieuw tijdperk ingeluid voor de technologie om materie op moleculair niveau op te slaan, te scheiden en te verwerken.

Op de middag van 8 oktober maakte de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen bekend dat de Nobelprijs voor Scheikunde 2025 naar drie wetenschappers ging: Susumu Kitagawa, Richard Robson en Omar M. Yaghi, voor hun baanbrekende bijdragen aan de ontwikkeling van metaalorganische raamwerken (MOF's).

Portretten van de drie wetenschappers die in 2025 de Nobelprijs voor Scheikunde wonnen.

Volgens de Nobelprijswinnaars is dit een keerpunt in de ontwikkeling van een compleet nieuwe taal van de materiaalkunde. Metalen en organische verbindingen zijn nauw met elkaar verbonden en vormen poreuze netwerken die moleculen kunnen opslaan, scheiden en transformeren – een richting die als revolutionair wordt beschouwd in de moderne energie-, milieu- en chemische technologie.

De magische combinatie van metaal en organisch

Metaalorganische raamwerken zijn kristallijne structuren die bestaan ​​uit metaalionen of metaalclusters die aan organische linkers zijn gekoppeld in een geordende, herhalende structuur, waardoor een driedimensionaal netwerk ontstaat.

In de ruimte tussen de metaalknopen en de bindende moleculen bevinden zich grote holtes, waardoor dit materiaal extreem poreus is. In tegenstelling tot traditionele vaste materialen kan het oppervlak van metaal-organische structuren duizenden vierkante meters per gram bedragen.

Holle structuur binnen een metaal-organisch raamwerk (Foto: MOF Technologies).

In een interview met Chemistry World in 2017 zei professor Omar Yaghi dat de porositeit van sommige MOF's 10.000 m²/gram kan bereiken (tien keer groter dan die van andere poreuze materialen). Eén gram MOF kan een inwendig oppervlak hebben dat gelijk is aan ongeveer twee Amerikaanse voetbalvelden. Dankzij deze eigenschap kunnen MOF's moleculen op een gecontroleerde manier adsorberen, opslaan of scheiden, veel beter dan andere poreuze materialen zoals zeoliet of silica.

Volgens het Nobelcomité zijn dit "materialen met een ongekende porositeit in de natuur, die toch de stabiliteit en duurzaamheid van hun kristallijne structuren behouden." Dankzij het vermogen om de flexibiliteit van organische verbindingen te combineren met de duurzaamheid van metalen, zijn metaal-organische raamwerken een van de belangrijkste uitvindingen van de chemie van de 21e eeuw geworden.

Van idee tot wetenschappelijke revolutie

De ontwikkeling van metaal-organische raamwerken is een verhaal dat zich over meer dan drie decennia uitstrekt en begon met de eerste experimenten van Richard Robson aan de Universiteit van Melbourne (Australië) aan het einde van de jaren 1980.

Hij was een pionier in de constructie van de eerste metaal-organische raamwerken, omdat hij besefte dat het binden van metaalionen aan organische moleculen kristallijne structuren kon creëren die zich in één, twee of drie dimensies uitstrekten. Deze vroege materialen waren echter vaak instabiel en stortten in bij blootstelling aan oplosmiddelen of hoge temperaturen.

Metaalionen en organische moleculen worden zorgvuldig gecombineerd om een ​​structuur te vormen die lijkt op een metallisch tetraëdrisch raamwerk (afbeelding: Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen).

Halverwege de jaren negentig had Susumu Kitagawa, destijds verbonden aan de Universiteit van Kyoto, aangetoond dat gas de door hem gecreëerde metaal-organische kristalstructuren kon binnendringen en erin kon bewegen. Dit was een belangrijke doorbraak, waarmee voor het eerst werd aangetoond dat vaste materialen dynamisch met hun omgeving konden interacteren.

Ook in deze periode ontwikkelde Omar M. Yaghi, een jonge Amerikaanse chemicus, een synthesemethode die stabiele, thermisch stabiele metaal-organische roosters met nauwkeurig gedefinieerde structuren produceerde. Hij legde de basis voor het concept van 'reticulaire chemie' – een aanpak die het mogelijk maakt om moleculaire bouwstenen doelbewust te verbinden om kristallijne roosters met vooraf bepaalde eigenschappen te vormen.

De structuur van een stabiel materiaal, MOF-5 - gemaakt door Yaghi - heeft kubische ruimtes (afbeelding: Koninklijke Zweedse Academie voor Wetenschappen).

Dankzij de bijdragen van drie wetenschappers heeft dit nieuwe onderzoeksgebied zich ontwikkeld tot een onafhankelijke richting binnen de moderne materiaalkunde, met tienduizenden gesynthetiseerde metaal-organische raamwerkstructuren die in tal van hightechgebieden worden toegepast.

Uitgebreide toepassingen van de uitvinding van de eeuw

Uit het onderzoek blijkt dat metaal-organische raamwerken dankzij hun ‘poreuze maar sterke’ eigenschappen veel functies kunnen vervullen die voorheen onmogelijk waren voor vaste materialen.

In het persbericht van het Nobelcomité stond dat metaal-organische raamwerken kunnen worden gebruikt om CO₂ te adsorberen en op te slaan in hun poreuze structuren, wat bijdraagt ​​aan een lagere uitstoot van broeikasgassen. Sommige metaal-organische raamwerken kunnen waterdamp uit droge woestijnlucht opvangen en daarbij uitsluitend de natuurlijke luchtvochtigheid gebruiken, waardoor zonne-energie wordt omgezet in schoon water. Dit wordt beschouwd als een bijzonder nuttige technologie voor gebieden met schaarse waterbronnen.

Dankzij hun grote oppervlak en selectiviteit worden MOF's ook gebruikt om vluchtige organische stoffen te filteren, zware metalen of giftige chemicaliën uit afvalwater te verwijderen en edelgassen zoals helium of waterstof te scheiden. Wetenschappers onderzoeken nu metaal-organische structuren voor energieopslag, met name waterstof en methaan – twee potentiële schone brandstoffen.

Leden van het Yaghi-onderzoekslaboratorium (foto: Universiteit van Californië, Berkeley).

Het is de moeite waard om op te merken dat professor Omar Yaghi in 2021 ook de VinFuture-prijs won, in de categorie "Innovators With Outstanding Achievements In Emerging Field" (wetenschappers die onderzoek doen naar nieuwe vakgebieden).

Onderzoek naar MOF's wordt ook gezien als een potentiële ontwikkelingsrichting voor Vietnam, aangezien het land de groene transformatie bevordert en geavanceerde materialen ontwikkelt voor de energie-, milieu- en biomedische industrie.

Via programma's als VinFuture InnovaConnect krijgen Vietnamese wetenschappers de kans om direct in contact te komen met de internationale onderzoeksgemeenschap en zo de samenwerking uit te breiden op opkomende gebieden zoals MOF's, batterijen van de volgende generatie of koolstofafvang.

Professor Omar Yaghi bij de eerste uitreiking van de VinFuture Prize.

Tijdens de bekendmaking van de Nobelprijs van 2025 zei professor Heiner Linke, voorzitter van het Nobelcomité voor Scheikunde:

“Metaal-organische raamwerken hebben een enorm potentieel en bieden ongekende mogelijkheden om technische materialen te creëren met aangepaste eigenschappen voor nieuwe doeleinden.”

Deze materialen beloven een bijdrage te leveren aan de oplossing van wereldwijde uitdagingen zoals luchtvervuiling, klimaatverandering, gebrek aan schoon water en opslag van hernieuwbare energie – problemen waarmee de mensheid in de 21e eeuw te maken krijgt.

Bericht van de Nobelprijs voor Scheikunde 2025

De Nobelprijs voor Scheikunde van 2025 eert niet alleen drie uitmuntende wetenschappers, maar stuurt ook een belangrijke boodschap, een nieuwe manier van denken in materiaalkunde: de 'lege' is niet langer alleen maar een betekenisloze leegte, maar zit vol potentieel.

Vanuit wetenschappelijk perspectief vertegenwoordigt de uitvinding van metaal-organische raamwerken een verschuiving van de ontdekking van materialen naar de creatie van nieuwe materialen. Mensen zijn niet langer volledig afhankelijk van de natuur, maar kunnen nieuwe materialen ontwerpen met structuren en functies voor een bepaald doel.

De invloed van metaal-organische raamwerken beperkt zich niet tot de huidige toepassingen, maar baant ook de weg voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie materialen, zoals: Covalente Organische Raamwerken (COF's) en Zeolitische Imidazolaat Raamwerken (ZIF's) - met vergelijkbare, of zelfs betere, mogelijkheden in de toekomst.

Er zijn veel andere typen MOF-structuren gesynthetiseerd, die elk hun eigen functie vervullen (foto: Koninklijke Zweedse Academie voor Wetenschappen).

Van de kleine laboratoria waar de eerste kristallen werden gekweekt, tot de visie op materiële systemen die giftige gassen kunnen filteren, 'water' uit de lucht kunnen persen en energie kunnen opslaan: de zoektocht naar metaal-organische raamwerken staat symbool voor de geest van de moderne wetenschap: innovatie, interdisciplinaire samenwerking en een streven naar duurzame waarde.

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