Materialele goale - cheia pentru a ajuta oamenii de știință să câștige Premiul Nobel pentru Chimie în 2025

(Dan Tri) - Premiul Nobel pentru Chimie din 2025 tocmai a premiat trei oameni de știință care au inventat structurile metalo-organice, deschizând o nouă eră pentru tehnologia de stocare, separare și procesare a materiei la nivel molecular.

În după-amiaza zilei de 8 octombrie, Academia Regală Suedeză de Științe a anunțat că Premiul Nobel pentru Chimie pe 2025 a fost acordat celor trei oameni de știință, Susumu Kitagawa, Richard Robson și Omar M. Yaghi, pentru contribuțiile lor inovatoare la dezvoltarea structurilor metalo-organice (MOF).

Portretele celor trei oameni de știință care au câștigat Premiul Nobel pentru Chimie în 2025.

Conform Adunării Nobel, acesta este un punct de cotitură pentru formarea unui limbaj complet nou al științei materialelor. Metalele și compușii organici sunt strâns conectați pentru a forma rețele poroase capabile să stocheze, să separe și să transforme molecule - o direcție considerată revoluționară în tehnologia modernă energetică, de mediu și chimică.

Combinația magică dintre metal și organic

Structurile metalo-organice sunt structuri cristaline formate din ioni metalici sau clustere metalice legate de linkeri organici într-o structură ordonată, repetitivă, formând o rețea tridimensională.

În spațiul dintre nodurile metalice și moleculele de legătură există goluri mari, ceea ce face ca acest material să fie extrem de poros. Spre deosebire de materialele solide tradiționale, suprafața structurilor metalo-organice poate ajunge la mii de metri pătrați pe gram.

Structură goală în interiorul unei structuri metalo-organice (Foto: MOF Technologies).

Într-un interviu acordat revistei Chemistry World în 2017, profesorul Omar Yaghi a afirmat că porozitatea unor MOF-uri poate ajunge la 10.000 m2/gram (de 10 ori mai mare decât a altor materiale poroase), un gram de MOF putând avea o suprafață internă echivalentă cu aproximativ două terenuri de fotbal american. Această caracteristică conferă MOF-urilor capacitatea de a adsorbi, stoca sau separa molecule într-un mod controlat, mult superioară altor materiale poroase, cum ar fi zeolitul sau silicea.

Conform Comitetului Nobel, acestea sunt „materiale cu o porozitate fără precedent în natură, care își mențin totuși stabilitatea și sustenabilitatea structurilor lor cristaline”. Datorită capacității de a combina flexibilitatea compușilor organici cu durabilitatea metalelor, structurile metalo-organice au devenit una dintre cele mai importante invenții ale chimiei secolului XXI.

De la idee la revoluție științifică

Dezvoltarea structurilor metalo-organice este o poveste care se întinde pe mai mult de trei decenii, începând cu primele experimente ale lui Richard Robson la Universitatea din Melbourne (Australia) la sfârșitul anilor 1980.

El a fost pionier în construirea primelor structuri metalo-organice, realizând că legarea ionilor metalici de moleculele organice putea crea structuri cristaline care se extindeau într-una, două sau trei dimensiuni. Cu toate acestea, aceste materiale timpurii erau adesea instabile și se prăbușeau atunci când erau expuse la solvenți sau temperaturi ridicate.

Ionii metalici și moleculele organice sunt combinate cu grijă pentru a forma o structură similară unei structuri tetraedrice metalice (Imagine: Academia Regală Suedeză de Științe).

Până la mijlocul anilor 1990, Susumu Kitagawa, pe atunci la Universitatea din Kyoto, demonstrase că gazul poate pătrunde și se poate deplasa în interiorul structurilor cristaline metalo-organice pe care le crease. Aceasta a fost o descoperire majoră, demonstrând pentru prima dată că materialele solide pot interacționa dinamic cu mediul înconjurător.

Tot în această perioadă, Omar M. Yaghi, un tânăr chimist american, a dezvoltat o metodă de sinteză care a produs structuri metalo-organice stabile și termic stabile, cu structuri precis definite. El a pus bazele conceptului de „chimie reticulară” - o abordare care permite legarea intenționată a blocurilor moleculare pentru a forma rețele cristaline cu proprietăți predeterminate.

Structura unui material stabil, MOF-5 - creat de Yaghi - are spații cubice (Imagine: Academia Regală Suedeză de Științe).

Datorită contribuțiilor a trei oameni de știință, acest nou domeniu de cercetare s-a dezvoltat într-o direcție independentă în chimia materialelor moderne, cu zeci de mii de structuri-cadru metalo-organice sintetizate și aplicate în multe domenii de înaltă tehnologie.

Aplicații extinse ale invenției secolului

Cercetarea demonstrează că, datorită proprietăților lor „poroase, dar rezistente”, structurile metalo-organice pot prelua multe roluri care anterior erau imposibile pentru materialele solide.

Comunicatul de presă al Comitetului Nobel menționează că structurile metalo-organice pot fi utilizate pentru a adsorbi și stoca CO₂ în structurile lor poroase, contribuind la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Unele structuri metalo-organice pot capta vaporii de apă din aerul uscat din deșert, folosind doar umiditatea naturală din aer, transformând energia solară în apă curată. Aceasta este considerată o tehnologie deosebit de utilă pentru zonele cu resurse limitate de apă.

Datorită suprafeței lor mari și selectivității, MOF-urile sunt utilizate și pentru filtrarea compușilor organici volatili, eliminarea metalelor grele sau a substanțelor chimice toxice din apele uzate și separarea gazelor nobile, cum ar fi heliul sau hidrogenul. Oamenii de știință explorează acum structuri metalo-organice pentru stocarea energiei, în special hidrogenul și metanul - doi potențiali combustibili curați.

Membrii laboratorului de cercetare Yaghi (Foto: Universitatea din California, Berkeley).

De menționat este faptul că profesorul Omar Yaghi a câștigat și Premiul VinFuture în 2021, la categoria „Inovatori cu realizări remarcabile în domenii emergente” (oameni de știință care cercetează noi domenii).

Cercetarea privind MOF-urile este, de asemenea, considerată o potențială direcție de dezvoltare pentru Vietnam, deoarece țara promovează transformarea verde și dezvoltă materiale avansate pentru industriile energetică, de mediu și biomedicală.

Prin programe precum VinFuture InnovaConnect, oamenii de știință vietnamezi au oportunitatea de a se conecta direct cu comunitatea internațională de cercetare, extinzând cooperarea în domenii emergente precum MOF-urile, bateriile de generație următoare sau captarea carbonului.

Profesorul Omar Yaghi la prima ceremonie de decernare a premiului VinFuture.

În timpul anunțării Premiului Nobel 2025, profesorul Heiner Linke, președintele Comitetului Nobel pentru Chimie, a declarat:

„Structurile metalo-organice au un potențial enorm, deschizând oportunități fără precedent pentru a crea materiale inginerești cu proprietăți personalizate pentru scopuri noi.”

Aceste materiale promit să ajute la rezolvarea provocărilor globale precum poluarea aerului, schimbările climatice, lipsa apei curate și stocarea energiei regenerabile – probleme cu care se confruntă omenirea în secolul XXI.

Mesajul laureatului Premiului Nobel pentru Chimie 2025

Premiul Nobel pentru Chimie din 2025 nu numai că onorează trei oameni de știință remarcabili, ci transmite și un mesaj profund, un nou mod de gândire în știința materialelor: „golul” nu mai este doar un vid lipsit de sens, ci este plin de potențial.

Dintr-o perspectivă științifică, inventarea structurilor metalo-organice reprezintă o trecere de la descoperirea materialelor la crearea de noi materiale. Oamenii nu mai sunt complet dependenți de natură, ci pot proiecta noi materiale cu structuri și funcții pentru un anumit scop.

Influența structurilor metalo-organice nu se oprește la aplicațiile actuale, ci deschide calea pentru dezvoltarea unei noi generații de materiale, cum ar fi: structurile organice covalente (COF) și structurile imidazolate zeolitice (ZIF) - cu capacități similare sau chiar superioare în viitor.

Multe alte tipuri de structuri MOF au fost sintetizate, fiecare îndeplinind propriile funcții (Foto: Academia Regală Suedeză de Științe).

De la micile laboratoare unde au fost cultivate primele cristale, până la viziunea sistemelor de materiale care pot filtra gazele toxice, pot „stoarce apa” din aer și pot stoca energia, parcursul dezvoltării unor structuri metalo-organice exemplifică spiritul științei moderne: inovația, colaborarea interdisciplinară și dorința de a obține o valoare durabilă.

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