Hule materialer – nøkkelen til å hjelpe forskere med å vinne Nobelprisen i kjemi i 2025

(Dan Tri) – Nobelprisen i kjemi for 2025 har nettopp hedret tre forskere som oppfant metallorganiske rammeverk, og dermed åpnet en ny æra for teknologi for å lagre, separere og behandle materie på molekylært nivå.

Ettermiddagen 8. oktober kunngjorde Det kongelige svenske vitenskapsakademiet at Nobelprisen i kjemi for 2025 gikk til tre forskere, Susumu Kitagawa, Richard Robson og Omar M. Yaghi, for deres banebrytende bidrag til utviklingen av metallorganiske rammeverk (MOF-er).

Portretter av de tre forskerne som vant Nobelprisen i kjemi i 2025.

Ifølge Nobelprisutdelingen er dette et vendepunkt for dannelsen av et helt nytt språk innen materialvitenskap. Metaller og organiske forbindelser er tett forbundet for å danne porøse nettverk som er i stand til å lagre, separere og transformere molekyler – en retning som anses som revolusjonerende innen moderne energi-, miljø- og kjemisk teknologi.

Den magiske kombinasjonen av metall og organisk materiale

Metallorganiske rammeverk er krystallinske strukturer som består av metallioner eller metallklynger koblet til organiske linkere i en ordnet, repeterende struktur, og danner et tredimensjonalt nettverk.

I rommet mellom metallnodene og bindingsmolekylene er det store hulrom, noe som gjør dette materialet ekstremt porøst. I motsetning til tradisjonelle faste materialer kan overflatearealet til metallorganiske rammeverk nå tusenvis av kvadratmeter per gram.

Hul struktur inne i metallorganisk rammeverk (Foto: MOF Technologies).

I et intervju med Chemistry World magazine i 2017 sa professor Omar Yaghi at porøsiteten til noen MOF-er kan nå 10 000 m²/gram (10 ganger større enn andre porøse materialer). Ett gram MOF kan ha et indre overflateareal tilsvarende omtrent to amerikanske fotballbaner. Det er denne egenskapen som gir MOF-er evnen til å adsorbere, lagre eller separere molekyler på en kontrollert måte, mye bedre enn andre porøse materialer som zeolitt eller silika.

Ifølge Nobelkomiteen er dette «materialer med enestående porøsitet, som likevel opprettholder stabiliteten og bærekraften til sine krystallinske strukturer.» Takket være evnen til å kombinere fleksibiliteten til organiske forbindelser med holdbarheten til metaller, har metallorganiske rammeverk blitt en av de viktigste oppfinnelsene innen kjemi i det 21. århundre.

Fra idé til vitenskapelig revolusjon

Utviklingen av metallorganiske rammeverk er en historie som strekker seg over mer enn tre tiår, og starter med de første eksperimentene til Richard Robson ved University of Melbourne (Australia) på slutten av 1980-tallet.

Han var pioner innen konstruksjonen av de første metallorganiske rammeverkene, og innså at binding av metallioner til organiske molekyler kunne skape krystallinske strukturer som strakte seg i én, to eller tre dimensjoner. Imidlertid var disse tidlige materialene ofte ustabile og kollapset når de ble utsatt for løsemidler eller høye temperaturer.

Metallioner og organiske molekyler kombineres nøye for å danne en struktur som ligner på et metallisk tetraedrisk rammeverk (Bilde: Det kongelige svenske vitenskapsakademiet).

Ved midten av 1990-tallet hadde Susumu Kitagawa, som da var ved Kyoto-universitetet, demonstrert at gass kunne trenge inn i og bevege seg inni de metallorganiske krystallrammeverkene han hadde skapt. Dette var et stort gjennombrudd, og demonstrerte for første gang at faste materialer kunne samhandle dynamisk med omgivelsene sine.

I løpet av denne perioden utviklet Omar M. Yaghi, en ung amerikansk kjemiker, også en syntesemetode som produserte stabile, termisk stabile metallorganiske rammeverk med presist definerte strukturer. Han la grunnlaget for konseptet «retikulær kjemi» – en tilnærming som tillater bevisst kobling av molekylære byggesteiner for å danne krystallinske gittere med forhåndsbestemte egenskaper.

Strukturen til et stabilt materiale, MOF-5 – skapt av Yaghi – har kubiske rom (Bilde: Det kongelige svenske vitenskapsakademiet).

Takket være bidragene fra tre forskere har dette nye forskningsfeltet utviklet seg til en uavhengig retning innen moderne materialkjemi, med titusenvis av metallorganiske rammeverkstrukturer syntetisert og anvendt i mange høyteknologiske felt.

Utvidede anvendelser av århundrets oppfinnelse

Forskningen viser at metallorganiske rammeverk, takket være sine «porøse, men sterke» egenskaper, kan ta på seg mange roller som tidligere var umulige for faste materialer.

I Nobelkomiteens pressemelding sto det at metallorganiske rammeverk kan brukes til å adsorbere og lagre CO₂ i sine porøse strukturer, noe som bidrar til å redusere klimagassutslipp. Noen metallorganiske rammeverk kan fange opp vanndamp fra tørr ørkenluft, kun ved å bruke den naturlige fuktigheten i luften, og omdanne solenergi til rent vann. Dette regnes som en spesielt nyttig teknologi for områder med knappe vannressurser.

Takket være deres høye overflateareal og selektivitet brukes MOF-er også til å filtrere ut flyktige organiske forbindelser, fjerne tungmetaller eller giftige kjemikalier fra avløpsvann og separere edelgasser som helium eller hydrogen. Forskere utforsker nå metallorganiske rammeverk for energilagring, spesielt hydrogen og metan – to potensielle rene drivstoff.

Medlemmer av Yaghi-forskningslaboratoriet (Foto: University of California, Berkeley).

Det er verdt å merke seg at professor Omar Yaghi også vant VinFuture-prisen i 2021, i kategorien «Innovatorer med fremragende prestasjoner innen nye felt» (forskere som forsker på nye felt).

Forskning på MOF-er anses også som en potensiell utviklingsretning for Vietnam, ettersom landet fremmer grønn transformasjon og utvikler avanserte materialer for energi-, miljø- og biomedisinsk industri.

Gjennom programmer som VinFuture InnovaConnect har vietnamesiske forskere muligheten til å komme i direkte kontakt med det internasjonale forskningsmiljøet, og utvide samarbeidet innen nye felt som MOF-er, neste generasjons batterier eller karbonfangst.

Professor Omar Yaghi ved den første VinFuture-prisutdelingen.

Under kunngjøringen av Nobelprisen for 2025 sa professor Heiner Linke, leder av Nobelkomiteen for kjemi:

«Metallorganiske rammeverk har et enormt potensial, og åpner for enestående muligheter for å lage konstruerte materialer med tilpassede egenskaper for nye formål.»

Disse materialene lover å bidra til å løse globale utfordringer som luftforurensning, klimaendringer, mangel på rent vann og lagring av fornybar energi – problemer menneskeheten står overfor i det 21. århundre.

Melding fra Nobelprisen i kjemi 2025

Nobelprisen i kjemi i 2025 hedrer ikke bare tre fremragende forskere, men sender også et dyptgående budskap, en ny måte å tenke på innen materialvitenskap: «tomheten» er ikke lenger bare et meningsløst tomrom, men er full av potensial.

Fra et vitenskapelig perspektiv representerer oppfinnelsen av metallorganiske rammeverk et skifte fra materialoppdagelse til skapelse av nye materialer. Mennesker er ikke lenger fullstendig avhengige av naturen, men kan designe nye materialer med strukturer og funksjoner for et bestemt formål.

Innflytelsen fra metallorganiske rammeverk stopper ikke ved nåværende bruksområder, men baner også vei for utviklingen av en ny generasjon materialer, som: kovalente organiske rammeverk (COF-er) og zeolittiske imidazolatrammeverk (ZIF-er) – med lignende, eller til og med overlegne, egenskaper i fremtiden.

Mange andre typer MOF-strukturer har blitt syntetisert, som hver har sine egne funksjoner (Foto: Det kongelige svenske vitenskapsakademiet).

Fra de små laboratoriene der de første krystallene ble dyrket, til visjonen om materialsystemer som kan filtrere giftige gasser, «klemme vann» fra luften og lagre energi, eksemplifiserer reisen mot å utvikle metallorganiske rammeverk ånden i moderne vitenskap: innovasjon, tverrfaglig samarbeid og en drivkraft for bærekraftig verdi.

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