Порожнисті матеріали – ключ до того, щоб допомогти вченим отримати Нобелівську премію з хімії 2025 року

(Ден Трі) - Нобелівська премія з хімії 2025 року щойно була присуджена трьом вченим, які винайшли металоорганічні каркаси, відкривши нову еру для технологій зберігання, розділення та обробки речовини на молекулярному рівні.

8 жовтня вдень Королівська шведська академія наук оголосила, що Нобелівську премію з хімії за 2025 рік отримали три вчені: Сусуму Кітагава, Річард Робсон та Омар М. Ягі, за їхній новаторський внесок у розробку металоорганічних каркасів (MOF).

Портрети трьох вчених, які отримали Нобелівську премію з хімії 2025 року.

Згідно з Нобелівською асамблеєю, це поворотний момент для формування абсолютно нової мови матеріалознавства. Метали та органічні сполуки складно пов'язані, утворюючи пористі мережі, здатні зберігати, розділяти та трансформувати молекули – напрямок, який вважається революційним у сучасних енергетичних, екологічних та хімічних технологіях.

Чарівне поєднання металу та органічних речовин

Металоорганічні каркаси – це кристалічні структури, що складаються з іонів металів або кластерів металів, пов'язаних з органічними лінкерами в упорядковану, повторювану структуру, утворюючи тривимірну мережу.

У просторі між металевими вузлами та молекулами зв'язку є великі порожнини, що робить цей матеріал надзвичайно пористим. На відміну від традиційних твердих матеріалів, площа поверхні металоорганічних каркасів може сягати тисяч квадратних метрів на грам.

Порожниста структура всередині металоорганічного каркаса (Фото: MOF Technologies).

Виступаючи перед журналом Chemistry World у 2017 році, професор Омар Ягі сказав, що пористість деяких металоорганічних волокнистих матеріалів (МОФ) може досягати 10 000 м²/грам (у 10 разів більше, ніж у інших пористих матеріалів), один грам МОФ може мати внутрішню площу поверхні, еквівалентну приблизно двом американським футбольним полям. Саме ця характеристика дає МОФ здатність адсорбувати, зберігати або розділяти молекули контрольованим чином, що значно перевершує інші пористі матеріали, такі як цеоліт або діоксид кремнію.

За даними Нобелівського комітету, це «матеріали з безпрецедентною пористістю за своєю природою, які все ще зберігають стабільність та стійкість своїх кристалічних структур». Завдяки здатності поєднувати гнучкість органічних сполук із довговічністю металів, металоорганічні каркаси стали одним із найважливіших винаходів хімії 21-го століття.

Від ідеї до наукової революції

Розробка металоорганічних каркасів – це історія, що охоплює понад три десятиліття, починаючи з перших експериментів Річарда Робсона в Мельбурнському університеті (Австралія) наприкінці 1980-х років.

Він був піонером у створенні перших металоорганічних каркасів, усвідомивши, що зв'язок іонів металів з органічними молекулами може створювати кристалічні структури, які простягаються в одному, двох або трьох вимірах. Однак ці ранні матеріали часто були нестабільними та руйнувалися під впливом розчинників або високих температур.

Іони металів та органічні молекули ретельно поєднуються, утворюючи структуру, подібну до металевого тетраедричного каркасу (Зображення: Королівська шведська академія наук).

До середини 1990-х років Сусуму Кітаґава, який тоді працював у Кіотському університеті, продемонстрував, що газ може проникати та рухатися всередині створених ним металоорганічних кристалічних каркасів. Це був важливий прорив, який вперше продемонстрував, що тверді матеріали можуть динамічно взаємодіяти з навколишнім середовищем.

Також у цей період Омар М. Ягі, молодий американський хімік, розробив метод синтезу, який дозволив отримати стабільні, термічно стійкі металоорганічні каркаси з точно визначеними структурами. Він заклав основу концепції «ретикулярної хімії» – підходу, який дозволяє навмисно зв'язувати молекулярні будівельні блоки для утворення кристалічних решіток із заздалегідь визначеними властивостями.

Структура стабільного матеріалу MOF-5, створеного Ягі, має кубічні простори (Зображення: Королівська шведська академія наук).

Завдяки внеску трьох вчених, ця нова галузь досліджень розвинулася в самостійний напрямок у сучасній хімії матеріалів, де синтезовано та застосовано десятки тисяч металоорганічних каркасних структур у багатьох високотехнологічних галузях.

Розширене застосування винаходу століття

Дослідження демонструє, що завдяки своїм «пористим, але міцним» властивостям, металоорганічні каркаси можуть виконувати багато ролей, які раніше були неможливі для твердих матеріалів.

У прес-релізі Нобелівського комітету йдеться, що металоорганічні каркаси можна використовувати для адсорбції та зберігання CO₂ у своїх пористих структурах, що допомагає зменшити викиди парникових газів. Деякі металоорганічні каркаси можуть захоплювати водяну пару із сухого пустельного повітря, використовуючи лише природну вологість повітря, перетворюючи сонячну енергію на чисту воду. Це вважається особливо корисною технологією для районів з обмеженими водними ресурсами.

Завдяки високій площі поверхні та селективності, металоорганічні плівки (МОФ) також використовуються для фільтрації летких органічних сполук, видалення важких металів або токсичних хімічних речовин зі стічних вод та відділення благородних газів, таких як гелій або водень. Зараз вчені досліджують металоорганічні структури для накопичення енергії, особливо водню та метану – двох потенційних чистих видів палива.

Члени дослідницької лабораторії Ягі (Фото: Каліфорнійський університет, Берклі).

Варто зазначити, що професор Омар Ягі також отримав премію VinFuture Prize у 2021 році в категорії «Інноватори з видатними досягненнями в новітніх галузях» (вчені, які досліджують нові галузі).

Дослідження металообробних матеріалів (МОФ) також вважається потенційним напрямком розвитку В'єтнаму, оскільки країна сприяє зеленій трансформації та розробці передових матеріалів для енергетичної, екологічної та біомедичної промисловості.

Завдяки таким програмам, як VinFuture InnovaConnect, в'єтнамські вчені мають можливість безпосередньо зв'язатися з міжнародною дослідницькою спільнотою, розширюючи співпрацю в нових галузях, таких як металообробні матеріали (MOF), батареї наступного покоління або уловлювання вуглецю.

Професор Омар Ягі на першій церемонії вручення премії VinFuture.

Під час оголошення лауреата Нобелівської премії 2025 року професор Хайнер Лінке, голова Нобелівського комітету з хімії, сказав:

«Металоорганічні каркаси мають величезний потенціал, відкриваючи безпрецедентні можливості для створення інженерних матеріалів з індивідуальними властивостями для нових цілей».

Ці матеріали обіцяють допомогти вирішити глобальні проблеми, такі як забруднення повітря, зміна клімату, брак чистої води та зберігання відновлюваної енергії – проблеми, з якими стикається людство у 21 столітті.

Послання лауреата Нобелівської премії з хімії 2025 року

Нобелівська премія з хімії 2025 року не лише вшановує трьох видатних вчених, а й несе глибоке послання, новий спосіб мислення в матеріалознавстві: «порожнеча» — це вже не просто безглузда порожнеча, а сповнена потенціалу.

З наукової точки зору, винахід металоорганічних каркасів являє собою перехід від відкриття матеріалів до створення нових матеріалів. Люди більше не повністю залежать від природи, а можуть розробляти нові матеріали зі структурами та функціями для певної мети.

Вплив металоорганічних каркасів не обмежується поточними застосуваннями, а й прокладає шлях для розробки нового покоління матеріалів, таких як: ковалентні органічні каркаси (COF) та цеолітні імідазолатні каркаси (ZIF) - з подібними або навіть перевершуючими можливостями в майбутньому.

Було синтезовано багато інших типів структур MOF, кожна з яких виконує свої власні функції (Фото: Королівська шведська академія наук).

Від невеликих лабораторій, де вирощували перші кристали, до концепції матеріальних систем, здатних фільтрувати токсичні гази, «вичавлювати воду» з повітря та накопичувати енергію, шлях до розробки металоорганічних каркасів є прикладом духу сучасної науки: інновації, міждисциплінарну співпрацю та прагнення до сталого розвитку.

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