Materiały puste w środku – klucz do zdobycia przez naukowców Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 2025 r.

(Dan Tri) - Nagroda Nobla w dziedzinie chemii za rok 2025 została właśnie przyznana trzem naukowcom, którzy wynaleźli struktury metaloorganiczne, otwierając tym samym nową erę w technologii przechowywania, rozdzielania i przetwarzania materii na poziomie molekularnym.

Po południu 8 października Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła, że ​​Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za rok 2025 otrzymali trzej naukowcy: Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi, za ich pionierski wkład w rozwój metaloorganicznych struktur molekularnych (MOF).

Portrety trzech naukowców, którzy otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2025 r.

Według Zgromadzenia Noblowskiego jest to punkt zwrotny w kształtowaniu zupełnie nowego języka nauki o materiałach. Metale i związki organiczne są ze sobą ściśle powiązane, tworząc porowate sieci zdolne do magazynowania, rozdzielania i przekształcania cząsteczek – kierunek uważany za rewolucyjny we współczesnej energetyce, ochronie środowiska i technologii chemicznej.

Magiczne połączenie metalu i materii organicznej

Sieci metaloorganiczne to struktury krystaliczne składające się z jonów metali lub klastrów metali połączonych z łącznikami organicznymi w uporządkowaną, powtarzalną strukturę, tworzącą trójwymiarową sieć.

W przestrzeni między węzłami metalu a cząsteczkami wiążącymi znajdują się duże puste przestrzenie, co sprawia, że ​​materiał ten jest niezwykle porowaty. W przeciwieństwie do tradycyjnych materiałów stałych, powierzchnia właściwa struktur metaloorganicznych może sięgać tysięcy metrów kwadratowych na gram.

Pusta struktura wewnątrz metalo-organicznej konstrukcji (zdjęcie: MOF Technologies).

W wywiadzie dla magazynu „Chemistry World” w 2017 roku profesor Omar Yaghi stwierdził, że porowatość niektórych MOF-ów może sięgać 10 000 m²/gram (10 razy więcej niż w przypadku innych materiałów porowatych), a jeden gram MOF-u może mieć powierzchnię wewnętrzną równą około dwóm boiskom futbolowym. To właśnie ta cecha sprawia, że ​​MOF-y mogą adsorbować, magazynować lub separować cząsteczki w sposób kontrolowany, znacznie przewyższając inne materiały porowate, takie jak zeolit ​​czy krzemionka.

Według Komitetu Noblowskiego są to „materiały charakteryzujące się niespotykaną dotąd porowatością w naturze, a jednocześnie zachowujące stabilność i trwałość swoich struktur krystalicznych”. Dzięki możliwości połączenia elastyczności związków organicznych z trwałością metali, struktury metaloorganiczne stały się jednym z najważniejszych wynalazków chemii XXI wieku.

Od pomysłu do rewolucji naukowej

Historia rozwoju struktur metaloorganicznych trwa już ponad trzy dekady i rozpoczęła się wraz z pierwszymi eksperymentami Richarda Robsona na Uniwersytecie w Melbourne (Australia) pod koniec lat 80. XX wieku.

Był pionierem w budowie pierwszych struktur metaloorganicznych, zdając sobie sprawę, że wiązanie jonów metalu z cząsteczkami organicznymi może tworzyć struktury krystaliczne rozciągające się w jednym, dwóch lub trzech wymiarach. Jednak te wczesne materiały były często niestabilne i zapadały się pod wpływem rozpuszczalników lub wysokich temperatur.

Jony metali i cząsteczki organiczne są ostrożnie łączone, tworząc strukturę przypominającą metaliczny szkielet czworościenny (ilustracja: Królewska Szwedzka Akademia Nauk).

W połowie lat 90. Susumu Kitagawa, wówczas na Uniwersytecie w Kioto, wykazał, że gaz może przenikać i poruszać się wewnątrz metaloorganicznych struktur krystalicznych, które stworzył. Był to przełomowy moment, który po raz pierwszy pokazał, że materiały stałe mogą dynamicznie oddziaływać z otoczeniem.

Również w tym okresie Omar M. Yaghi, młody amerykański chemik, opracował metodę syntezy, która pozwalała na uzyskanie stabilnych, termicznie stabilnych struktur metaloorganicznych o precyzyjnie zdefiniowanych strukturach. Położył podwaliny pod koncepcję „chemii siateczkowej” – podejścia, które pozwala na celowe łączenie molekularnych elementów budulcowych w celu tworzenia sieci krystalicznych o z góry określonych właściwościach.

Struktura stabilnego materiału MOF-5, stworzona przez Yaghiego, składa się z przestrzeni sześciennych (ilustracja: Królewska Szwedzka Akademia Nauk).

Dzięki wkładowi trzech naukowców ta nowa dziedzina badań rozwinęła się w niezależny kierunek we współczesnej chemii materiałów, w ramach którego zsyntetyzowano dziesiątki tysięcy struktur metaloorganicznych i zastosowano je w wielu dziedzinach zaawansowanych technologii.

Rozszerzone zastosowania wynalazku stulecia

Badania pokazują, że dzięki swoim „porowatym, a jednocześnie wytrzymałym” właściwościom, struktury metaloorganiczne mogą pełnić wiele funkcji, które dotychczas były niemożliwe do spełnienia w przypadku materiałów stałych.

W komunikacie prasowym Komitetu Noblowskiego stwierdzono, że struktury metaloorganiczne mogą być wykorzystywane do adsorpcji i magazynowania CO₂ w porowatych strukturach, co przyczynia się do redukcji emisji gazów cieplarnianych. Niektóre struktury metaloorganiczne mogą wychwytywać parę wodną z suchego, pustynnego powietrza, wykorzystując jedynie naturalną wilgotność powietrza, przetwarzając energię słoneczną w czystą wodę. Technologia ta jest uważana za szczególnie przydatną w obszarach o ograniczonych zasobach wody.

Dzięki dużej powierzchni i selektywności, MOF-y są również wykorzystywane do filtrowania lotnych związków organicznych, usuwania metali ciężkich i toksycznych substancji ze ścieków oraz separacji gazów szlachetnych, takich jak hel czy wodór. Naukowcy badają obecnie struktury metaloorganiczne do magazynowania energii, zwłaszcza wodoru i metanu – dwóch potencjalnie czystych paliw.

Członkowie laboratorium badawczego Yaghi (zdjęcie: Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley).

Warto zauważyć, że profesor Omar Yaghi został również laureatem nagrody VinFuture w 2021 r. w kategorii „Innowatorzy z wybitnymi osiągnięciami w rozwijającej się dziedzinie” (naukowcy badający nowe dziedziny).

Badania nad materiałami MOF uważa się również za potencjalny kierunek rozwoju Wietnamu, gdyż kraj ten promuje zieloną transformację i opracowuje zaawansowane materiały na potrzeby przemysłu energetycznego, ochrony środowiska i biomedycznego.

Dzięki programom takim jak VinFuture InnovaConnect wietnamscy naukowcy mają okazję nawiązać bezpośrednie kontakty z międzynarodową społecznością badawczą, co pozwala na rozszerzenie współpracy w nowych dziedzinach, takich jak MOF, baterie nowej generacji czy wychwytywanie dwutlenku węgla.

Profesor Omar Yaghi podczas pierwszej ceremonii wręczenia nagród VinFuture Prize.

Podczas ogłaszania Nagrody Nobla za rok 2025 profesor Heiner Linke, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii, powiedział:

„Konstrukcje metaloorganiczne mają ogromny potencjał, otwierając bezprecedensowe możliwości tworzenia materiałów inżynieryjnych o dostosowanych właściwościach do nowych celów”.

Materiały te mają pomóc w rozwiązaniu globalnych problemów, takich jak zanieczyszczenie powietrza, zmiana klimatu, brak czystej wody i magazynowanie energii odnawialnej – problemów, z którymi ludzkość musi się zmierzyć w XXI wieku.

Przesłanie z Nagrody Nobla w dziedzinie chemii 2025

Nagroda Nobla w dziedzinie chemii za rok 2025 nie tylko honoruje troje wybitnych naukowców, ale także przekazuje głębokie przesłanie, nowy sposób myślenia w nauce o materiałach: „pustka” nie jest już po prostu pozbawioną znaczenia próżnią, ale jest pełna potencjału.

Z naukowego punktu widzenia, wynalezienie metaloorganicznych struktur szkieletowych stanowi przejście od odkrywania materiałów do tworzenia nowych. Ludzie nie są już całkowicie zależni od natury, lecz mogą projektować nowe materiały o strukturze i funkcjach służących konkretnemu celowi.

Wpływ struktur metaloorganicznych nie ogranicza się do obecnych zastosowań, ale otwiera również drogę do rozwoju nowej generacji materiałów, takich jak: kowalencyjne struktury organiczne (COF) i zeolitowe struktury imidazolanowe (ZIF) - o podobnych, a nawet lepszych możliwościach w przyszłości.

Zsyntetyzowano wiele innych typów struktur MOF, z których każda pełni własną funkcję (zdjęcie: Królewska Szwedzka Akademia Nauk).

Począwszy od małych laboratoriów, w których hodowano pierwsze kryształy, aż po wizję systemów materiałowych zdolnych do filtrowania toksycznych gazów, „wyciskania wody” z powietrza i magazynowania energii, proces opracowywania struktur metaloorganicznych odzwierciedla ducha współczesnej nauki: innowacyjność, współpracę interdyscyplinarną i dążenie do osiągnięcia trwałej wartości.

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