วัสดุกลวง - กุญแจสำคัญในการช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คว้ารางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2025

(แดน ทรี) - รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2025 มอบให้แก่นักวิทยาศาสตร์ 3 คนที่คิดค้นโครงสร้างโลหะอินทรีย์ ซึ่งเปิดศักราชใหม่ของเทคโนโลยีในการกักเก็บ แยก และประมวลผลสสารในระดับโมเลกุล

ในช่วงบ่ายของวันที่ 8 ตุลาคม ราชบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์ แห่งสวีเดนได้ประกาศว่ารางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2568 มอบให้แก่นักวิทยาศาสตร์ 3 คน ได้แก่ ซูซูมุ คิตากาวะ, ริชาร์ด ร็อบสัน และโอมาร์ เอ็ม. ยากิ สำหรับผลงานบุกเบิกในการพัฒนาโครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOF)

ภาพบุคคลของนักวิทยาศาสตร์สามคนที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2025

ตามรายงานของสมัชชาโนเบล นี่เป็นจุดเปลี่ยนสำคัญสำหรับการสร้างภาษาใหม่ทางวัสดุศาสตร์ โลหะและสารประกอบอินทรีย์เชื่อมต่อกันอย่างซับซ้อนจนเกิดเป็นโครงข่ายที่มีรูพรุน ซึ่งสามารถกักเก็บ แยก และเปลี่ยนรูปโมเลกุลได้ ซึ่งถือเป็นการปฏิวัติวงการพลังงาน สิ่งแวดล้อม และเทคโนโลยีเคมีสมัยใหม่

การผสมผสานอันมหัศจรรย์ของโลหะและสารอินทรีย์

โครงสร้างโลหะ-อินทรีย์เป็นโครงสร้างผลึกที่ประกอบด้วยไอออนของโลหะหรือคลัสเตอร์โลหะที่เชื่อมกับตัวเชื่อมอินทรีย์ในโครงสร้างที่เป็นระเบียบและซ้ำกัน ซึ่งก่อตัวเป็นเครือข่ายสามมิติ

ในช่องว่างระหว่างปมโลหะและโมเลกุลพันธะ มีช่องว่างขนาดใหญ่ ทำให้วัสดุนี้มีรูพรุนมาก ต่างจากวัสดุแข็งทั่วไป พื้นผิวของโครงสร้างโลหะอินทรีย์สามารถสูงถึงหลายพันตารางเมตรต่อกรัม

โครงสร้างกลวงภายในกรอบโลหะอินทรีย์ (ภาพ: MOF Technologies)

ศาสตราจารย์โอมาร์ ยากี ให้สัมภาษณ์กับนิตยสาร Chemistry World ในปี พ.ศ. 2560 ว่า MOF บางชนิดมีรูพรุนสูงถึง 10,000 ตารางเมตรต่อกรัม (มากกว่าวัสดุพรุนชนิดอื่นถึง 10 เท่า) โดย MOF หนึ่งกรัมมีพื้นที่ผิวภายในเทียบเท่ากับสนามฟุตบอลอเมริกันประมาณสองสนาม คุณสมบัตินี้เองที่ทำให้ MOF สามารถดูดซับ กักเก็บ หรือแยกโมเลกุลได้อย่างควบคุม ซึ่งเหนือกว่าวัสดุพรุนชนิดอื่น เช่น ซีโอไลต์หรือซิลิกาอย่างมาก

คณะกรรมการโนเบลระบุว่าวัสดุเหล่านี้เป็น “วัสดุที่มีรูพรุนในธรรมชาติอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน แต่ยังคงรักษาเสถียรภาพและความยั่งยืนของโครงสร้างผลึกไว้ได้” ด้วยความสามารถในการผสานความยืดหยุ่นของสารประกอบอินทรีย์เข้ากับความทนทานของโลหะ โครงสร้างโลหะอินทรีย์จึงกลายเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดของเคมีในศตวรรษที่ 21

จากแนวคิดสู่การปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์

การพัฒนาโครงสร้างโลหะอินทรีย์เป็นเรื่องราวที่ดำเนินมานานกว่าสามทศวรรษ โดยเริ่มต้นจากการทดลองครั้งแรกของ Richard Robson ที่มหาวิทยาลัยเมลเบิร์น (ออสเตรเลีย) ในช่วงปลายทศวรรษ 1980

เขาเป็นผู้บุกเบิกการสร้างโครงสร้างโลหะ-อินทรีย์ชิ้นแรก โดยตระหนักว่าการเชื่อมไอออนของโลหะเข้ากับโมเลกุลอินทรีย์สามารถสร้างโครงสร้างผลึกที่ขยายออกเป็นหนึ่ง สอง หรือสามมิติได้ อย่างไรก็ตาม วัสดุในยุคแรกๆ เหล่านี้มักไม่เสถียรและพังทลายเมื่อสัมผัสกับตัวทำละลายหรืออุณหภูมิสูง

ไอออนของโลหะและโมเลกุลอินทรีย์ถูกผสมเข้าด้วยกันอย่างระมัดระวังเพื่อสร้างโครงสร้างที่คล้ายกับโครงสร้างโลหะทรงสี่หน้า (ภาพ: ราชบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน)

ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 ซูซูมุ คิตากาวะ ซึ่งขณะนั้นศึกษาอยู่ที่มหาวิทยาลัยเกียวโต ได้แสดงให้เห็นว่าก๊าซสามารถแทรกซึมและเคลื่อนที่เข้าไปในโครงสร้างผลึกโลหะอินทรีย์ที่เขาสร้างขึ้นได้ นับเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าวัสดุแข็งสามารถมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมได้อย่างมีพลวัต

ในช่วงเวลาเดียวกันนี้ โอมาร์ เอ็ม. ยากี นักเคมีหนุ่มชาวอเมริกัน ได้พัฒนาวิธีการสังเคราะห์ที่ทำให้เกิดโครงสร้างโลหะ-อินทรีย์ที่เสถียรและทนความร้อนได้ โดยมีโครงสร้างที่กำหนดอย่างแม่นยำ เขาได้วางรากฐานสำหรับแนวคิด “เคมีแบบเรติคูลาร์” ซึ่งเป็นแนวทางที่ช่วยให้สามารถเชื่อมโยงองค์ประกอบโมเลกุลต่างๆ เข้าด้วยกันอย่างตั้งใจ เพื่อสร้างโครงตาข่ายผลึกที่มีคุณสมบัติตามที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

โครงสร้างของวัสดุที่เสถียร MOF-5 ซึ่งสร้างขึ้นโดย Yaghi มีช่องว่างลูกบาศก์ (ภาพ: Royal Swedish Academy of Sciences)

ด้วยการมีส่วนร่วมของนักวิทยาศาสตร์สามคน ทำให้สาขาการวิจัยใหม่นี้พัฒนาไปเป็นทิศทางอิสระในเคมีวัสดุสมัยใหม่ โดยมีโครงสร้างกรอบโลหะอินทรีย์นับหมื่นโครงสร้างที่ถูกสังเคราะห์และนำไปใช้ในสาขาเทคโนโลยีชั้นสูงหลายสาขา

การประยุกต์ใช้ขยายของการประดิษฐ์ของศตวรรษ

งานวิจัยแสดงให้เห็นว่า ด้วยคุณสมบัติที่ "มีรูพรุนแต่แข็งแรง" โครงโลหะอินทรีย์จึงสามารถทำหน้าที่ต่างๆ มากมายที่ก่อนหน้านี้วัสดุแข็งไม่สามารถทำได้

ข่าวประชาสัมพันธ์ของคณะกรรมการโนเบลระบุว่าโครงสร้างโลหะอินทรีย์สามารถนำมาใช้ดูดซับและกักเก็บ CO₂ ในโครงสร้างที่มีรูพรุน ซึ่งช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก โครงสร้างโลหะอินทรีย์บางชนิดสามารถดักจับไอน้ำจากอากาศแห้งในทะเลทราย โดยใช้เพียงความชื้นตามธรรมชาติในอากาศ เพื่อแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นน้ำสะอาด เทคโนโลยีนี้ถือเป็นเทคโนโลยีที่มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับพื้นที่ที่มีทรัพยากรน้ำอย่างจำกัด

ด้วยพื้นที่ผิวและคุณสมบัติการเลือกสรรที่สูง MOF จึงถูกนำมาใช้เพื่อกรองสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย กำจัดโลหะหนักหรือสารเคมีที่เป็นพิษออกจากน้ำเสีย และแยกก๊าซมีตระกูล เช่น ฮีเลียมหรือไฮโดรเจน ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษาโครงสร้างโลหะอินทรีย์เพื่อกักเก็บพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งไฮโดรเจนและมีเทน ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงสะอาดที่มีศักยภาพสองชนิด

สมาชิกห้องปฏิบัติการวิจัย Yaghi (ภาพ: มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์)

ที่น่าสังเกตก็คือ ศาสตราจารย์ Omar Yaghi ยังได้รับรางวัล VinFuture Prize ในปี 2021 ในประเภท “นักประดิษฐ์ที่มีผลงานโดดเด่นในสาขาใหม่” (นักวิทยาศาสตร์ที่ทำการวิจัยสาขาใหม่) อีกด้วย

การวิจัยเกี่ยวกับ MOF ถือเป็นทิศทางการพัฒนาที่มีศักยภาพสำหรับเวียดนาม เนื่องจากประเทศกำลังส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงสีเขียวและพัฒนาวัสดุขั้นสูงสำหรับอุตสาหกรรมพลังงาน สิ่งแวดล้อม และชีวการแพทย์

ผ่านโปรแกรมเช่น VinFuture InnovaConnect นักวิทยาศาสตร์ชาวเวียดนามมีโอกาสเชื่อมต่อโดยตรงกับชุมชนนักวิจัยนานาชาติ ขยายความร่วมมือในสาขาที่เกิดใหม่ เช่น MOF แบตเตอรี่รุ่นถัดไป หรือการดักจับคาร์บอน

ศาสตราจารย์โอมาร์ ยากี ในพิธีมอบรางวัล VinFuture Prize ครั้งแรก

ในการประกาศรางวัลโนเบลประจำปี 2025 ศาสตราจารย์ไฮเนอร์ ลิงเคอ ประธานคณะกรรมการโนเบลสาขาเคมี กล่าวว่า:

“กรอบโลหะอินทรีย์มีศักยภาพมหาศาล เปิดโอกาสใหม่ๆ ที่ไม่เคยมีมาก่อนในการสร้างวัสดุทางวิศวกรรมที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวสำหรับวัตถุประสงค์ใหม่ๆ”

วัสดุเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะช่วยแก้ปัญหาท้าทายระดับโลก เช่น มลพิษทางอากาศ การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การขาดแคลนน้ำสะอาด และการจัดเก็บพลังงานหมุนเวียน ซึ่งเป็นปัญหาที่มนุษยชาติต้องเผชิญในศตวรรษที่ 21

สารจากรางวัลโนเบลสาขาเคมี 2025

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2025 ไม่เพียงแต่เป็นการยกย่องนักวิทยาศาสตร์ที่โดดเด่นสามคนเท่านั้น แต่ยังส่งสารอันล้ำลึก ซึ่งเป็นแนวทางใหม่ในการคิดในศาสตร์วัสดุอีกด้วย นั่นคือ "ความว่างเปล่า" ไม่ใช่แค่ความว่างเปล่าที่ไม่มีความหมายอีกต่อไป แต่เต็มไปด้วยศักยภาพ

จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ การประดิษฐ์โครงสร้างโลหะอินทรีย์ถือเป็นการเปลี่ยนผ่านจาก การค้นพบ วัสดุไปสู่การสร้างสรรค์วัสดุใหม่ มนุษย์ไม่ได้พึ่งพาธรรมชาติอย่างสมบูรณ์อีกต่อไป แต่สามารถออกแบบวัสดุใหม่ที่มีโครงสร้างและหน้าที่เพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะได้

อิทธิพลของกรอบโลหะอินทรีย์ไม่ได้หยุดอยู่แค่การประยุกต์ใช้ในปัจจุบันเท่านั้น แต่ยังปูทางไปสู่การพัฒนาของวัสดุรุ่นใหม่ เช่น กรอบโลหะอินทรีย์โควาเลนต์ (COFs) และกรอบอิมิดาโซเลตซีโอไลต์ (ZIFs) ซึ่งมีความสามารถที่คล้ายคลึงกันหรือเหนือกว่าในอนาคตอีกด้วย

โครงสร้าง MOF ประเภทอื่นๆ มากมายได้รับการสังเคราะห์ โดยแต่ละประเภทมีหน้าที่ของตัวเอง (ภาพถ่าย: Royal Swedish Academy of Sciences)

จากห้องทดลองขนาดเล็กที่ปลูกผลึกชุดแรก ไปจนถึงวิสัยทัศน์ของระบบวัสดุที่สามารถกรองก๊าซพิษ "บีบน้ำ" ออกจากอากาศ และกักเก็บพลังงาน การเดินทางเพื่อพัฒนาโครงสร้างโลหะอินทรีย์เป็นตัวอย่างของจิตวิญญาณแห่งวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ได้แก่ นวัตกรรม ความร่วมมือสหวิทยาการ และแรงผลักดันเพื่อคุณค่าที่ยั่งยืน

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