Полые материалы — ключ к тому, чтобы помочь ученым получить Нобелевскую премию по химии 2025 года

(Дэн Три) - Нобелевская премия по химии 2025 года была вручена трем ученым, которые изобрели металлоорганические структуры, открыв новую эру в технологиях хранения, разделения и обработки веществ на молекулярном уровне.

Днем 8 октября Королевская шведская академия наук объявила, что Нобелевская премия по химии 2025 года присуждена трем ученым: Сусуму Китагаве, Ричарду Робсону и Омару М. Яги — за их новаторский вклад в разработку металлорганических каркасов (МОКС).

Портреты трех ученых — лауреатов Нобелевской премии по химии 2025 года.

По мнению Нобелевской ассамблеи, это поворотный момент в формировании совершенно нового языка материаловедения. Металлы и органические соединения сложно связаны между собой, образуя пористые сети, способные хранить, разделять и преобразовывать молекулы. Это направление считается революционным в современной энергетике, экологических и химических технологиях.

Волшебное сочетание металла и органики

Металлорганические каркасы представляют собой кристаллические структуры, состоящие из ионов металлов или металлических кластеров, связанных с органическими связующими элементами в упорядоченную повторяющуюся структуру, образующую трехмерную сеть.

В пространстве между металлическими узлами и связывающими молекулами имеются большие пустоты, что делает этот материал чрезвычайно пористым. В отличие от традиционных твёрдых материалов, площадь поверхности металлоорганических каркасов может достигать тысяч квадратных метров на грамм.

Полая структура внутри металлоорганического каркаса (Фото: MOF Technologies).

В интервью журналу Chemistry World в 2017 году профессор Омар Яги заявил, что пористость некоторых MOF может достигать 10 000 м²/г (в 10 раз больше, чем у других пористых материалов). Один грамм MOF может иметь площадь внутренней поверхности, эквивалентную примерно двум полям для американского футбола. Именно эта характеристика позволяет MOF контролировать адсорбцию, хранение и разделение молекул, значительно превосходя другие пористые материалы, такие как цеолит или диоксид кремния.

По данным Нобелевского комитета, это «материалы с беспрецедентной в природе пористостью, сохраняющие при этом стабильность и устойчивость своих кристаллических структур». Благодаря способности сочетать гибкость органических соединений с прочностью металлов, металлоорганические каркасы стали одним из важнейших изобретений химии XXI века.

От идеи к научной революции

Развитие металлорганических каркасов — это история, охватывающая более трех десятилетий, начиная с первых экспериментов Ричарда Робсона в Мельбурнском университете (Австралия) в конце 1980-х годов.

Он стал пионером в создании первых металлоорганических структур, поняв, что связывание ионов металлов с органическими молекулами может создавать кристаллические структуры, простирающиеся в одном, двух или трёх измерениях. Однако эти ранние материалы часто были нестабильны и разрушались под воздействием растворителей или высоких температур.

Ионы металлов и органические молекулы тщательно объединяются, образуя структуру, похожую на металлический тетраэдрический каркас (Изображение: Королевская шведская академия наук).

К середине 1990-х годов Сусуму Китагава, работавший тогда в Киотском университете, продемонстрировал, что газ может проникать и перемещаться внутри созданных им металлоорганических кристаллических структур. Это был крупный прорыв, впервые продемонстрировавший, что твёрдые материалы способны динамически взаимодействовать с окружающей средой.

В этот же период молодой американский химик Омар М. Яги разработал метод синтеза, позволяющий получать стабильные, термостабильные металлоорганические каркасы с точно заданной структурой. Он заложил основу концепции «сетчатой ​​химии» – подхода, позволяющего целенаправленно связывать молекулярные строительные блоки для формирования кристаллических решёток с заданными свойствами.

Структура стабильного материала MOF-5, созданного Яги, имеет кубические пространства (Изображение: Королевская шведская академия наук).

Благодаря вкладу трех ученых эта новая область исследований развилась в самостоятельное направление в современной химии материалов, где синтезированы и применяются во многих высокотехнологичных областях десятки тысяч металлоорганических каркасных структур.

Расширенное применение изобретения века

Исследование показывает, что благодаря своим «пористым, но прочным» свойствам металлоорганические каркасы могут выполнять множество функций, которые ранее были невозможны для твердых материалов.

В пресс-релизе Нобелевского комитета говорится, что металлоорганические каркасы могут использоваться для адсорбции и хранения CO₂ в своих пористых структурах, способствуя сокращению выбросов парниковых газов. Некоторые металлоорганические каркасы способны улавливать водяной пар из сухого воздуха пустыни, используя только естественную влажность воздуха и преобразуя солнечную энергию в чистую воду. Эта технология считается особенно полезной для регионов с дефицитом водных ресурсов.

Благодаря высокой площади поверхности и селективности, MOF также используются для фильтрации летучих органических соединений, удаления тяжёлых металлов и токсичных химикатов из сточных вод и разделения инертных газов, таких как гелий и водород. В настоящее время учёные изучают металлорганические каркасы для хранения энергии, особенно водорода и метана – двух потенциальных экологически чистых видов топлива.

Сотрудники исследовательской лаборатории Яги (Фото: Калифорнийский университет в Беркли).

Стоит отметить, что профессор Омар Яги также стал лауреатом премии VinFuture в 2021 году в категории «Новаторы с выдающимися достижениями в новых областях» (ученые, исследующие новые области).

Исследования в области MOF также считаются потенциальным направлением развития для Вьетнама, поскольку страна продвигает зеленую трансформацию и разрабатывает передовые материалы для энергетической, экологической и биомедицинской промышленности.

Благодаря таким программам, как VinFuture InnovaConnect, вьетнамские ученые имеют возможность напрямую взаимодействовать с международным исследовательским сообществом, расширяя сотрудничество в таких новых областях, как металлоорганические каркасы, батареи нового поколения или улавливание углерода.

Профессор Омар Яги на первой церемонии награждения премии VinFuture.

Во время объявления Нобелевской премии 2025 года профессор Хайнер Линке, председатель Нобелевского комитета по химии, сказал:

«Металлоорганические каркасы обладают огромным потенциалом, открывая беспрецедентные возможности для создания инженерных материалов с индивидуальными свойствами для новых целей».

Эти материалы обещают помочь решить такие глобальные проблемы, как загрязнение воздуха, изменение климата, нехватка чистой воды и возобновляемых источников энергии — проблемы, с которыми сталкивается человечество в XXI веке.

Послание лауреата Нобелевской премии по химии 2025 года

Нобелевская премия по химии 2025 года не только отмечает заслуги трех выдающихся ученых, но и несет в себе глубокий посыл, новый способ мышления в материаловедении: «пустота» больше не является просто бессмысленной пустотой, но наполнена потенциалом.

С научной точки зрения, изобретение металлоорганических структур представляет собой переход от поиска новых материалов к их созданию. Человечество больше не зависит полностью от природы, но может создавать новые материалы со структурой и функциями, соответствующими определённым целям.

Влияние металлорганических каркасов не ограничивается текущими областями применения, но и прокладывает путь к разработке нового поколения материалов, таких как: ковалентные органические каркасы (COF) и цеолитные имидазолятные каркасы (ZIF) — с аналогичными или даже превосходящими возможностями в будущем.

Было синтезировано много других типов структур MOF, каждый из которых выполняет свои собственные функции (Фото: Королевская шведская академия наук).

От небольших лабораторий, где были выращены первые кристаллы, до концепции материальных систем, способных фильтровать токсичные газы, «выжимать воду» из воздуха и накапливать энергию, путь к разработке металлоорганических структур иллюстрирует дух современной науки: инновации, междисциплинарное сотрудничество и стремление к устойчивой ценности.

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