İçi boş malzemeler - bilim insanlarının 2025 Nobel Kimya Ödülü'nü kazanmasına yardımcı olacak anahtar

(Dan Tri) - 2025 Nobel Kimya Ödülü, metal-organik çerçeveleri icat eden ve moleküler düzeyde maddeyi depolamak, ayırmak ve işlemek için yeni bir çağ açan üç bilim insanını onurlandırdı.

İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi , 8 Ekim öğleden sonra 2025 Nobel Kimya Ödülü'nün metal-organik çerçevelerin (MOF'lar) geliştirilmesine öncü katkılarından dolayı Susumu Kitagawa, Richard Robson ve Omar M. Yaghi adlı üç bilim insanına verildiğini duyurdu.

2025 Nobel Kimya Ödülü'nü kazanan üç bilim insanının portreleri.

Nobel Komitesi'ne göre bu, tamamen yeni bir malzeme bilimi dilinin oluşumunda bir dönüm noktası. Metaller ve organik bileşikler, molekülleri depolayabilen, ayırabilen ve dönüştürebilen gözenekli ağlar oluşturmak için karmaşık bir şekilde birbirine bağlı. Bu, modern enerji, çevre ve kimya teknolojisinde devrim niteliğinde kabul edilen bir gelişme.

Metal ve organik maddenin büyülü birleşimi

Metal-organik iskeletler, düzenli ve tekrarlayan bir yapıda organik bağlayıcılara bağlı metal iyonları veya metal kümelerinden oluşan, üç boyutlu bir ağ oluşturan kristal yapılardır.

Metal düğümler ile bağlayıcı moleküller arasındaki boşlukta, bu malzemeyi son derece gözenekli hale getiren büyük boşluklar bulunur. Geleneksel katı malzemelerin aksine, metal-organik iskeletlerin yüzey alanı gram başına binlerce metrekareye ulaşabilir.

Metal-organik iskeletin içindeki içi boş yapı (Fotoğraf: MOF Technologies).

Profesör Omar Yaghi, 2017 yılında Chemistry World dergisine verdiği demeçte, bazı MOF'ların gözenekliliğinin 10.000 m²/grama (diğer gözenekli malzemelerden 10 kat daha büyük) ulaşabildiğini ve bir gram MOF'un yaklaşık iki Amerikan futbolu sahası büyüklüğünde bir iç yüzey alanına sahip olabileceğini söylemişti. MOF'lara, zeolit ​​veya silika gibi diğer gözenekli malzemelerden çok daha üstün, molekülleri kontrollü bir şekilde adsorplama, depolama veya ayırma yeteneği kazandıran da bu özelliktir.

Nobel Komitesi'ne göre bunlar, "doğada eşi benzeri görülmemiş bir gözenekliliğe sahip, ancak yine de kristal yapılarının kararlılığını ve sürdürülebilirliğini koruyan malzemelerdir." Organik bileşiklerin esnekliğini metallerin dayanıklılığıyla birleştirme yeteneği sayesinde, metal-organik iskeletler 21. yüzyıl kimyasının en önemli buluşlarından biri haline gelmiştir.

Fikirden bilimsel devrime

Metal-organik iskeletlerin gelişimi, Richard Robson'ın 1980'lerin sonlarında Melbourne Üniversitesi'nde (Avustralya) yaptığı ilk deneylerle başlayan, otuz yılı aşkın bir süreyi kapsayan bir hikayedir.

Metal iyonlarının organik moleküllere bağlanmasının bir, iki veya üç boyutta uzayabilen kristal yapılar oluşturabileceğini fark ederek ilk metal-organik iskeletlerin inşasına öncülük etti. Ancak, bu ilk malzemeler genellikle kararsızdı ve çözücülere veya yüksek sıcaklıklara maruz kaldıklarında çöküyordu.

Metal iyonları ve organik moleküller, metalik tetrahedral bir çerçeveye benzer bir yapı oluşturmak üzere dikkatlice bir araya getirilmiştir (Görsel: İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi).

1990'ların ortalarında, o zamanlar Kyoto Üniversitesi'nde olan Susumu Kitagawa, gazın, oluşturduğu metal-organik kristal çerçevelerin içine nüfuz edip hareket edebileceğini göstermişti. Bu, katı malzemelerin çevreleriyle dinamik olarak etkileşime girebileceğini ilk kez gösteren büyük bir atılımdı.

Yine bu dönemde, genç Amerikalı kimyager Omar M. Yaghi, yapıları kesin olarak tanımlanmış, kararlı ve termal olarak kararlı metal-organik yapılar üreten bir sentez yöntemi geliştirdi. Moleküler yapı taşlarının kasıtlı olarak birbirine bağlanarak önceden belirlenmiş özelliklere sahip kristal kafesler oluşturmasına olanak tanıyan bir yaklaşım olan "retiküler kimya" kavramının temellerini attı.

Yaghi'nin oluşturduğu kararlı bir malzeme olan MOF-5'in yapısı kübik boşluklardan oluşuyor (Görsel: İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi).

Üç bilim insanının katkılarıyla bu yeni araştırma alanı, modern malzeme kimyasında bağımsız bir yöne doğru gelişmiş olup, on binlerce metal-organik iskelet yapısı sentezlenmiş ve birçok ileri teknoloji alanında uygulanmıştır.

Yüzyılın icadının genişletilmiş uygulamaları

Araştırma, metal-organik iskeletlerin "gözenekli ancak güçlü" özellikleri sayesinde daha önce katı malzemeler için imkansız olan birçok rolü üstlenebileceğini gösteriyor.

Nobel Komitesi'nin basın açıklamasında, metal-organik iskeletlerin gözenekli yapılarında CO₂'yi emip depolayarak sera gazı emisyonlarının azaltılmasına yardımcı olabileceği belirtildi. Bazı metal-organik iskeletler, yalnızca havadaki doğal nemi kullanarak kuru çöl havasından su buharı yakalayabilir ve güneş enerjisini temiz suya dönüştürebilir. Bu, özellikle su kaynaklarının kısıtlı olduğu bölgeler için faydalı bir teknoloji olarak kabul edilmektedir.

Yüksek yüzey alanı ve seçicilikleri sayesinde MOF'lar, uçucu organik bileşikleri filtrelemek, atık sulardan ağır metalleri veya toksik kimyasalları uzaklaştırmak ve helyum veya hidrojen gibi soy gazları ayırmak için de kullanılır. Bilim insanları, özellikle iki potansiyel temiz yakıt olan hidrojen ve metan olmak üzere enerji depolama için metal-organik sistemler araştırıyor.

Yaghi araştırma laboratuvarı üyeleri (Fotoğraf: Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley).

Profesör Ömer Yaghi'nin 2021 yılında "Yeni Alanlarda Üstün Başarılara Sahip Yenilikçiler" (yeni alanlarda araştırma yapan bilim insanları) kategorisinde VinFuture Ödülü'nü kazandığını da belirtmekte fayda var.

MOF'lar üzerine araştırma yapmak, Vietnam için potansiyel bir gelişme yönü olarak da değerlendiriliyor; zira ülke yeşil dönüşümü teşvik ediyor ve enerji, çevre ve biyomedikal endüstrileri için gelişmiş malzemeler geliştiriyor.

VinFuture InnovaConnect gibi programlar aracılığıyla, Vietnam bilim insanları uluslararası araştırma topluluğuyla doğrudan bağlantı kurma ve MOF'lar, yeni nesil piller veya karbon yakalama gibi gelişmekte olan alanlarda iş birliğini genişletme fırsatına sahip oluyor.

Profesör Omar Yaghi, ilk VinFuture Ödül Töreni'nde.

Nobel Kimya Komitesi Başkanı Profesör Heiner Linke, 2025 Nobel Ödülü'nün açıklanması sırasında şunları söyledi:

"Metal-organik çerçeveler muazzam bir potansiyele sahip olup, yeni amaçlar için özelleştirilmiş özelliklere sahip mühendislik malzemeleri yaratmak için benzeri görülmemiş fırsatlar sunuyor."

Bu malzemeler, hava kirliliği, iklim değişikliği, temiz su eksikliği ve yenilenebilir enerji depolama gibi 21. yüzyılda insanlığın karşı karşıya olduğu küresel sorunların çözümüne yardımcı olmayı vaat ediyor.

2025 Nobel Kimya Ödülü'nden Mesaj

2025 Nobel Kimya Ödülü yalnızca üç olağanüstü bilim insanını onurlandırmakla kalmıyor, aynı zamanda malzeme biliminde yeni bir düşünce biçimi olan derin bir mesaj da veriyor: "Boşluk" artık sadece anlamsız bir boşluk değil, aynı zamanda potansiyellerle dolu.

Bilimsel açıdan bakıldığında, metal-organik iskeletlerin icadı, malzeme keşfinden yeni malzemelerin yaratılmasına geçişi temsil eder. İnsanlar artık tamamen doğaya bağımlı değiller, belirli bir amaca yönelik yapı ve işlevlere sahip yeni malzemeler tasarlayabilirler.

Metal-organik çerçevelerin etkisi sadece mevcut uygulamalarla sınırlı kalmıyor, aynı zamanda gelecekte benzer, hatta daha üstün yeteneklere sahip Kovalent Organik Çerçeveler (COF'lar) ve Zeolitik İmidazolat Çerçeveler (ZIF'ler) gibi yeni nesil malzemelerin geliştirilmesinin de önünü açıyor.

Her biri kendine özgü işlevlere sahip birçok başka MOF yapısı sentezlenmiştir (Fotoğraf: İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi).

İlk kristallerin yetiştirildiği küçük laboratuvarlardan, zehirli gazları filtreleyebilen, havadan "suyu sıkabilen" ve enerji depolayabilen malzeme sistemleri vizyonuna kadar, metal-organik çerçeveler geliştirme yolculuğu modern bilimin ruhunu örnekliyor: yenilikçilik, disiplinlerarası iş birliği ve sürdürülebilir değer için bir çaba.

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