Nagroda Nobla 2025 z chemii: Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi

Na co dzień dostrzegamy wiele ciekawych zjawisk fizycznych i przemian chemicznych. Rzadko jednak zastanawiamy się nad takim zjawiskiem jak powierzchnia. Nad tym jaką mają rzeczy wokół nas i co to mówi o ich funkcji. Tymczasem odporność na korozję (jakże istotna w kuchni, hydraulice, motoryzacji itp.), skłonność do zasiedlania przez bakterie czy gromadzenia zanieczyszczeń – wszystko to jest powiązane z właściwościami fizykochemii powierzchni. W rozwijaniu nowych materiałów i urządzeń jest to zagadnienie kluczowe. Na przykład materiały bardziej porowate mają większe pole powierzchni, a więc więcej miejsca, na którym może zachodzić reakcja chemiczna. Wiele obszarów, m.in. badani nad katalizatorami, koncentrują się na rozwijaniu nowych materiałów o dużej porowatości, aby zapewnić jak największą aktywność chemiczną.

W roku 1989 Richard Robson prowadził eksperymenty z łączeniem metali i związków organicznych. W katalizatorach używane są głównie pierwiastki z grup tzw. metali przejściowych lub szlachetnych. Organiczne molekuły natomiast są idealne do tworzenia gąbczastych, rozległych struktur o dużej powierzchni. Robson zdołał połączyć jony miedzi z cząsteczką organiczną o czterech ramionach – do każdego przyłączył się jon miedzi. Powstał w ten sposób uporządkowany kryształ metaloorganiczny o rozległej sieci porów w środku. Działa to trochę jak szkielet albo kratownica, gdzie elementy konstrukcyjne są zbudowane z elastycznych molekuł, a ich spojenia – z metalu. Badacz wykazał też, że da się wypełnić jego porowate korytarze płynami lub rozpuszczalnikami.

Kryształy Robsona były jednak kruche i niestabilne – kiedy usuwało się płyny z ich wnętrza, łatwo się zapadały. W latach 90. zainteresowali się nimi – niezależnie od siebie – Susumu Kitagawa i Omar Yaghi. Kitagawa w roku 1997 wykazał, że w jego strukturze metaloorganicznej (MOF) da się magazynować gazy oraz że można je odzyskiwać, bez uszkadzania materiału. Z kolei Yaghi uzyskał najstabilniejsze MOF-y do tej pory i ogłosił, że jest w stanie je sfunkcjonalizować – „projektować” dostosowując rodzaje jonów metali i cząsteczek organicznych, aby kontrolować rozmiar, kształt oraz właściwości wnętrza.

Najbardziej zdumiewająca jest jednak powierzchnia – w 1 g materiału opracowanego przez Yaghiego była taka jak boiska piłkarskiego. Jak to możliwe? Warto tu przywołać zwykłą gąbkę do mycia. Ma niewielkie rozmiary, a jednak dobrze nasiąknięta jest w stanie, po mocnym wyciśnięciu, wypełnić wodą przynajmniej szklankę. Różnica jest taka, że kanaliki w MOF-ach mają wymiary kilku nanometrów, dzięki czemu jest ich tam ogromna ilość, a ich powierzchnia absurdalnie olbrzymia. Dodatkowo mogą być bardzo lekkie, a mimo to – niesłychanie stabilne, odporne termicznie, chemicznie, mechanicznie. MOF mogą również wywoływać reakcje chemiczne lub przewodzić prąd elektryczny. Jeśli taki jest plan, mogą też być elastyczne – wiele zależy od materiałów, które zastosuje się do ich budowy, a możliwych wariantów są już dziś setki tysięcy. Przyczyniły się do rozwoju dziedziny zwaną dziś chemią konstrukcji molekularnych.

Poza katalizą takie materiały znajdują zastosowanie w wielu innych dziedzinach. Są idealne do pozyskiwania wody z powietrza na pustyni, zbierania jej, a także usuwania z niej toksyn. Mogą wychwycić dwutlenek węgla z powietrza i magazynować wodór. Albo służyć medycynie – do dostarczania leków.

„Struktury metaloorganiczne mają ogromny potencjał, oferując nieprzewidziane wcześniej możliwości tworzenia materiałów o nowych funkcjach, dostosowanych do indywidualnych potrzeb” – mówił Heiner Linke, przewodniczący Komitetu Noblowskiego ds. Chemii.

.

.

.