Ihåliga material – nyckeln till att hjälpa forskare att vinna Nobelpriset i kemi 2025

(Dan Tri) - Nobelpriset i kemi 2025 har just hedrat tre forskare som uppfann metallorganiska ramverk, vilket öppnade en ny era för teknik för att lagra, separera och bearbeta materia på molekylär nivå.

På eftermiddagen den 8 oktober tillkännagav Kungliga Vetenskapsakademien att Nobelpriset i kemi 2025 gick till tre forskare, Susumu Kitagawa, Richard Robson och Omar M. Yaghi, för deras banbrytande bidrag till utvecklingen av metallorganiska ramverk (MOF).

Porträtt av de tre forskarna som vann Nobelpriset i kemi 2025.

Enligt Nobelförsamlingen är detta en vändpunkt för bildandet av ett helt nytt språk inom materialvetenskap. Metaller och organiska föreningar är intrikat sammankopplade till porösa nätverk som kan lagra, separera och omvandla molekyler – en riktning som anses revolutionerande inom modern energi-, miljö- och kemiteknik.

Den magiska kombinationen av metall och organiskt material

Metallorganiska ramverk är kristallina strukturer som består av metalljoner eller metallkluster kopplade till organiska länkar i en ordnad, upprepande struktur och bildar ett tredimensionellt nätverk.

I utrymmet mellan metallnoderna och bindningsmolekylerna finns stora hålrum, vilket gör detta material extremt poröst. Till skillnad från traditionella fasta material kan ytan hos metallorganiska ramverk uppgå till tusentals kvadratmeter per gram.

Ihålig struktur inuti metallorganisk ramverk (Foto: MOF Technologies).

I ett uttalande till tidskriften Chemistry World 2017 sa professor Omar Yaghi att porositeten hos vissa MOF kan nå 10 000 m2/gram (10 gånger större än andra porösa material). Ett gram MOF kan ha en inre yta motsvarande ungefär två amerikanska fotbollsplaner. Det är denna egenskap som ger MOF förmågan att adsorbera, lagra eller separera molekyler på ett kontrollerat sätt, mycket överlägset andra porösa material som zeolit ​​eller kiseldioxid.

Enligt Nobelkommittén är dessa ”material med oöverträffad porositet till sin natur, men som ändå bibehåller stabiliteten och hållbarheten hos sina kristallina strukturer.” Tack vare förmågan att kombinera flexibiliteten hos organiska föreningar med metallernas hållbarhet har metallorganiska ramverk blivit en av de viktigaste uppfinningarna inom kemin under 2000-talet.

Från idé till vetenskaplig revolution

Utvecklingen av metallorganiska ramverk är en historia som sträcker sig över mer än tre decennier, med början med Richard Robsons första experiment vid University of Melbourne (Australien) i slutet av 1980-talet.

Han var pionjär i konstruktionen av de första metallorganiska ramverken och insåg att bindning av metalljoner till organiska molekyler kunde skapa kristallina strukturer som sträckte sig i en, två eller tre dimensioner. Dessa tidiga material var dock ofta instabila och kollapsade när de utsattes för lösningsmedel eller höga temperaturer.

Metalljoner och organiska molekyler kombineras noggrant för att bilda en struktur som liknar ett metalliskt tetraedriskt ramverk (Bild: Kungliga Vetenskapsakademien).

I mitten av 1990-talet hade Susumu Kitagawa, då verksam vid Kyotouniversitetet, visat att gas kunde tränga in i och röra sig inuti de metallorganiska kristallstrukturer han hade skapat. Detta var ett stort genombrott som för första gången visade att fasta material dynamiskt kunde interagera med sin omgivning.

Även under denna period utvecklade Omar M. Yaghi, en ung amerikansk kemist, en syntesmetod som producerade stabila, termiskt stabila metallorganiska ramverk med exakt definierade strukturer. Han lade grunden för konceptet "retikulär kemi" – en metod som möjliggör avsiktlig länkning av molekylära byggstenar för att bilda kristallina gitter med förutbestämda egenskaper.

Strukturen hos ett stabilt material, MOF-5 – skapat av Yaghi – har kubiska utrymmen (Bild: Kungliga Vetenskapsakademien).

Tack vare bidrag från tre forskare har detta nya forskningsfält utvecklats till en oberoende inriktning inom modern materialkemi, med tiotusentals metallorganiska ramverksstrukturer syntetiserade och tillämpade inom många högteknologiska områden.

Utökade tillämpningar av århundradets uppfinning

Forskningen visar att metallorganiska ramverk, tack vare sina "porösa men starka" egenskaper, kan ta på sig många roller som tidigare var omöjliga för fasta material.

Nobelkommitténs pressmeddelande sade att metallorganiska ramverk kan användas för att adsorbera och lagra CO₂ i sina porösa strukturer, vilket bidrar till att minska utsläppen av växthusgaser. Vissa metallorganiska ramverk kan fånga vattenånga från torr ökenluft, genom att endast använda den naturliga fuktigheten i luften, och omvandla solenergi till rent vatten. Detta anses vara en särskilt användbar teknik för områden med knappa vattenresurser.

Tack vare sin höga ytarea och selektivitet används metalliska oorganiska metaller (MOF) också för att filtrera bort flyktiga organiska föreningar, avlägsna tungmetaller eller giftiga kemikalier från avloppsvatten och separera ädelgaser som helium eller väte. Forskare utforskar nu metallorganiska ramverk för energilagring, särskilt väte och metan – två potentiella rena bränslen.

Medlemmar i Yaghis forskningslaboratorium (Foto: University of California, Berkeley).

Det är värt att notera att professor Omar Yaghi också vann VinFuture-priset 2021, i kategorin ”Innovatörer med enastående prestationer inom nya områden” (forskare som forskar inom nya områden).

Forskning om MOF:er anses också vara en potentiell utvecklingsriktning för Vietnam, eftersom landet främjar grön omställning och utvecklar avancerade material för energi-, miljö- och biomedicinindustrin.

Genom program som VinFuture InnovaConnect har vietnamesiska forskare möjlighet att få direktkontakt med det internationella forskarsamhället och utöka samarbetet inom nya områden som energikällor, nästa generations batterier eller koldioxidavskiljning.

Professor Omar Yaghi vid den första VinFuture-prisutdelningsceremonin.

Under tillkännagivandet av Nobelpriset 2025 sa professor Heiner Linke, ordförande för Nobelkommittén för kemi:

”Metallorganiska ramverk har enorm potential och öppnar upp för exempellösa möjligheter att skapa konstruerade material med anpassade egenskaper för nya ändamål.”

Dessa material lovar att bidra till att lösa globala utmaningar som luftföroreningar, klimatförändringar, brist på rent vatten och lagring av förnybar energi – problem som mänskligheten står inför under 2000-talet.

Meddelande från Nobelpriset i kemi 2025

Nobelpriset i kemi 2025 hedrar inte bara tre framstående forskare, utan skickar också ett djupt budskap, ett nytt sätt att tänka inom materialvetenskap: det "tomma" är inte längre bara ett meningslöst tomrum, utan fullt av potential.

Ur ett vetenskapligt perspektiv representerar uppfinningen av metallorganiska ramverk ett skifte från materialupptäckt till skapandet av nya material. Människor är inte längre helt beroende av naturen, utan kan designa nya material med strukturer och funktioner för ett visst syfte.

Inflytandet från metallorganiska ramverk stannar inte vid nuvarande tillämpningar, utan banar också väg för utvecklingen av en ny generation material, såsom: kovalenta organiska ramverk (COF) och zeolitiska imidazolatramverk (ZIF) - med liknande, eller till och med överlägsna, förmågor i framtiden.

Många andra typer av MOF-strukturer har syntetiserats, vilka var och en fyller sina egna funktioner (Foto: Kungliga Vetenskapsakademien).

Från de små laboratorierna där de första kristallerna odlades, till visionen om materialsystem som kan filtrera giftiga gaser, "pressa vatten" ur luften och lagra energi, exemplifierar resan mot att utveckla metallorganiska ramverk andan i modern vetenskap: innovation, tvärvetenskapligt samarbete och en strävan efter hållbart värde.

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