.){kind=link}
Foto: Screenshot
Ovogodišnja Nobelova nagrada za hemiju dodijeljena je trojici naučnika – Japancu Susumuu Kitagawi, Britancu Richardu Robsonu i Jordancu Omaru Yaghiju – za razvoj revolucionarne klase supstanci poznatih kao metal-organski okviri (MOF – Metal-Organic Frameworks).
Njihov izum, objavljeno je u srijedu u Stokholmu, otvorio je sasvim nove puteve u hemiji i pružio mogućnost stvaranja materijala koji mogu rješavati neke od najvećih izazova savremenog svijeta, od klimatskih promjena do nestašice vode.
“Metal-organski okviri imaju ogroman potencijal, donoseći hemiji neviđene mogućnosti za kreiranje materijala s potpuno novim funkcijama,” izjavio je prof. Heiner Linke, predsjedavajući Nobelovog komiteta za hemiju.
Nobelov komitet je pohvalio laureate jer su razvili molekularne konstrukcije s velikim šupljinama kroz koje mogu prolaziti gasovi i druge hemikalije. Te strukture, objašnjeno je, mogu se koristiti za izvlačenje vode iz pustinjskog zraka, hvatanje ugljen-dioksida, skladištenje otrovnih gasova ili ubrzavanje hemijskih reakcija.
Nagrada, koja uključuje i novčani iznos od 11 miliona švedskih kruna (oko milion dolara), dodijeljena je trojici istraživača čije je dugogodišnje eksperimentalno i teorijsko istraživanje promijenilo način na koji nauka razumije strukturu i potencijal materijala.
Od drvenih modela do materijala budućnosti
Priča o Nobelovoj nagradi za hemiju 2025. počinje gotovo slučajno, još 1974. godine u Australiji, kada je Richard Robson, tada mladi profesor na Univerzitetu u Melbourneu, pripremao nastavni materijal za studente hemije. Dok je izrađivao drvene modele molekula, shvatio je da raspored “rupa” – mjesta gdje se spajaju atomi – zapravo sadrži sve informacije o obliku molekule. Taj jednostavan uvid inspirisao ga je da razmisli: šta ako bi umjesto atoma povezao cijele molekule, i tako stvorio nove vrste materijala?
Godinama kasnije, Robson je uspio izvesti taj eksperiment kombinirajući ione bakra i složene organske molekule. Rezultat je bio prvi materijal sa uređenom kristalnom strukturom punom šupljina – poput dijamanta, ali s praznim prostorima koji omogućavaju prolazak drugih supstanci. Njegov rad iz 1989. godine u Journal of the American Chemical Society postavio je temelje onome što će kasnije postati MOF tehnologija.
Japanski naučnik koji je vjerovao u “korisnost beskorisnog
Drugu ključnu kariku u ovoj priči čini Susumu Kitagawa, profesor hemije u Japanu, koji je uvijek slijedio načelo da i ono što izgleda beskorisno može postati izuzetno važno. Devedesetih godina, Kitagawa je počeo istraživati porozne molekularne strukture, i 1997. godine stvorio je prvi stabilni metal-organski okvir s otvorenim kanalima koji su mogli apsorbirati i oslobađati gasove poput metana, azota i kisika, a da se struktura pritom ne uruši.
Uprkos početnom skepticizmu naučne zajednice – jer su već postojali slični materijali, tzv. zeoliti – Kitagawa je ustrajao. Uvidio je da su MOF-ovi fleksibilniji i raznovrsniji, jer se mogu graditi od mnogih kombinacija metala i organskih molekula. Godine 1998. objasnio je svoju viziju u članku koji je postao temelj daljeg razvoja MOF-a: materijali koji “dišu”, mijenjaju oblik i mogu se prilagođavati različitim hemijskim okruženjima.
Od jordanske siromašne sobe do najprestižnije svjetske nagrade
Treći laureat, Omar Yaghi, imao je potpuno drugačiji put. Odrastao je u siromašnom domaćinstvu u Ammanu, bez struje i vode, ali ga je knjiga o molekulama koju je slučajno pronašao u školskoj biblioteci zauvijek fascinirala. Sa 15 godina otišao je u Sjedinjene Države, gdje je kasnije započeo karijeru koja će promijeniti hemiju.
Na Arizona State University, početkom devedesetih, Yaghi je pokušavao razviti novi, kontrolisani način spajanja molekula – “kao Lego kockice”. Uspio je 1995. godine kada je stvorio prve dvodimenzionalne mreže od metala i organskih jedinjenja. Dvije godine kasnije, u časopisu Nature, objavio je termin “metal–organic framework”, kojim je označio novu klasu materijala sa uređenim šupljinama sposobnim za apsorpciju drugih molekula.
Njegov najpoznatiji materijal, MOF-5, predstavljen 1999. godine, bio je čudo hemijske arhitekture: stabilan, prozračan i izuzetno “prostran”. Samo nekoliko grama tog materijala ima unutrašnju površinu veličine fudbalskog igrališta, što znači da može apsorbirati nevjerovatne količine gasova, uključujući ugljen-dioksid i vodik.
Materijali koji hvataju vodu iz zraka i ugljen-dioksid iz fabrika
Omar Yaghi i njegov tim nastavili su istraživanja i 2002–2003. godine stvorili čitavu porodicu MOF materijala s različitim svojstvima. Neki su mogli skladištiti metan, dok su drugi apsorbirali vodenu paru iz pustinjskog zraka.
Njegov tim izveo je spektakularan eksperiment u pustinji Arizone: tokom noći, MOF materijal je “uhvatio” vodenu paru iz zraka, a ujutro, kada bi se materijal zagrijao na suncu, oslobađala se čista voda – pravi izvor pitke vode u sušnim područjima.
Danas, zahvaljujući istraživanjima trojice laureata, razvijeni su MOF-ovi koji mogu:
⦁ izdvajati CO₂ iz zraka i dimnih gasova,
⦁ filtrirati otrovne supstance i industrijske zagađivače,
⦁ usporavati sazrijevanje voća hvatanjem etilenskog gasa,
⦁ pohranjivati energiju u obliku vodika,
⦁ apsorbirati štetne PFAS spojeve iz vode,
⦁ katalizirati hemijske reakcije, pa čak i
⦁ djelovati kao nosači lijekova u ljudskom tijelu.
Materijal 21. stoljeća
Naučnici vjeruju da bi metal-organski okviri mogli postati “materijal 21. stoljeća”, baš kao što su plastika i silicijum obilježili prethodno doba. Kompanije širom svijeta već ulažu u masovnu proizvodnju MOF materijala, jer oni nude mogućnost da se istovremeno rješavaju problemi klimatskih promjena, energetike i zagađenja.
U obrazloženju odluke, Nobelov komitet je istakao da su Kitagawa, Robson i Yaghi “otvorili nove horizonte za hemiju”. Njihov rad omogućio je naučnicima širom svijeta da dizajniraju desetine hiljada različitih MOF-ova, čime su, kako se navodi u testamentu Alfreda Nobela, “donijeli najveću korist čovječanstvu”.