Nauki przyrodnicze [2025-10-10]

Nobel za materiały "pochłaniające świat"

— Redakcja

Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi zostali uhonorowani chemicznym Noblem za wprowadzenie i rozwój nowej klasy materiałów – metal-organic frameworks (MOFs). – To materiały przyszłości – mówi dr hab. Liliana Dobrzańska, prof. UMK z Wydziału Chemii.

Członkowie Komitetu Noblowskiego w uzasadnieniu zaznaczyli, że naukowcy "stworzyli konstrukcje molekularne z dużymi przestrzeniami, przez które mogą przepływać gazy i inne substancje chemiczne". Dodano, że "mogą być wykorzystywane do pozyskiwania wody z pustynnego powietrza, wychwytywania dwutlenku węgla, magazynowania toksycznych gazów lub katalizowania reakcji chemicznych".

Do kluczowych zalet klasycznych MOF-ów należą duże powierzchnie wewnętrzne oraz relatywna łatwość modyfikacji ich właściwości poprzez dobór jonów metali i ligandów organicznych, które pełnią rolę "klocków konstrukcyjnych" w rękach projektanta.

To materiały przyszłości – mówi prof. Liliana Dobrzańska, kierownik Zespołu Inżynierii Krystalicznej i Materiałowej na Wydziale Chemii. – Unikalna, modyfikowalna struktura MOF-ów umożliwia daleko idącą kontrolę nad ich właściwościami. Przykładowo można je projektować pod kątem konkretnej cząsteczki, która ma zostać pochłonięta, bądź siły wiązania tej cząsteczki w sieci krystalicznej, co otwiera szereg zastosowań w zielonej chemii, energetyce czy ochronie środowiska. To nowy paradygmat – nie tylko synteza, lecz projektowanie funkcjonalnej architektury molekularnej. Dzięki temu można optymalizować te materiały pod takie zastosowania jak wychwytywanie CO₂, selektywne usuwanie zanieczyszczeń z wody, magazynowanie wodoru czy kataliza reakcji chemicznych. Dużą zaletą tych materiałów są względnie niskie koszty produkcji.

Jednym z pierwszych i najbardziej znanych MOF-ów jest MOF 5 (Zn₄O(BDC)₃), który został opisany w 1999 r. w Nature przez zespół prof. Omara M. Yaghiego. Wyróżnia się on bardzo wysoką powierzchnią wewnętrzną i stabilnością porowatej struktury, co uczyniło go punktem odniesienia w dalszych badaniach nad MOF-ami.

Od lat 90. XX wieku rozwój chemii retikularnej i MOF-ów postępował bardzo dynamicznie: Richard Robson zainicjował prace nad projektowaniem struktur koordynacyjnych o pożądanych właściwościach, Susumu Kitagawa zapoczątkował badania nad elastycznością tych struktur, a Omar M. Yaghi systematycznie rozwijał tę dziedzinę przez projektowanie i syntezę licznych porowatych polimerów koordynacyjnych. Omar M. Yaghi również wprowadził nazwę MOF, która początkowo była bardzo zawężona i dotyczyła związków uzyskanych na bazie karboksylanów. Jednak ze względu na rozwój dziedziny i coraz szersze stosowanie terminu MOF zyskał on swą definicję w 2011 r. od kiedy to określa wszystkie porowate polimery koordynacyjne.

Możliwość zastosowania MOF-ów w procesach oczyszczania wody czy wychwytywania gazów cieplarnianych może realnie przyczynić się do rozwiązywania globalnych wyzwań – mówi prof. Liliana Dobrzańska. – Takich jak zmiany klimatu czy ograniczony dostęp do czystej wody. Jako grupa zajmująca się tematyką porowatych materiałów krystalicznych przyjęliśmy z entuzjazmem decyzję Szwedzkiej Akademii Nauk. Ta dziedzina wciąż się rozwija, a MOF-y wykazujące strukturalną elastyczność w odpowiedzi na czynniki zewnętrzne, opartą na kooperatywnych ruchach cząsteczek w kryształach wysuwają się ostatnimi laty na pierwszy plan. Tak zwane inteligentne materiały czy też "smart crystals" idealnie wpisują się w retorykę świata zafascynowanego sztuczną inteligencją i systemami reagującymi na bodźce.