Fot. Ogłoszenie decyzji Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk o przyznaniu Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w roku 2025. Źródło: Serwis Naukowy UW/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

Nagrodzone badania przyniosły światu coś, co można porównać do stworzenia „mikroskopijnych pokoików dla chemikaliów” – sieci krystalicznych przypominających gąbkę. W tych konstrukcjach jony metali pełnią funkcję kamieni węgielnych połączonych długimi cząsteczkami organicznymi (opartymi na węglu), które działają jak mosty między atomami metalu. W ten sposób powstają porowate struktury z ogromną powierzchnią wewnętrzną, wypełnione mikroskopijnymi pustkami. Właśnie tam mogą „zamieszkać” cząsteczki gazów lub cieczy. Wystarczy zmienić rodzaj metalu lub cząsteczki organicznej, by zaprojektować materiał o pożądanych właściwościach. Dzięki temu metalo-organiczne struktury stały się jednym z najbardziej elastycznych narzędzi współczesnej chemii materiałowej.

Fot. Dzięki pracy laureatów chemicy byli w stanie zaprojektować dziesiątki tysięcy różnych struktur MOF. Źródło: Johan Jarnestad/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

Badacze porównują MOF-y do hotelu przyjmującego gości, szafy lub rusztowania, które stoi przy bloku podczas remontu. Podkreślają też, że ich powstanie wydawało się niemożliwe. – Tworzyliśmy materiały, które mogły przyjmować gości, ale w sposób niekontrolowany. Dowolny gość, który przyszedł, zostawał zamknięty i uwięziony, a później trzeba go było w jakiś sposób odzyskać, albo tworzyliśmy materiały, które nie były w stanie pomieścić żadnych gości lub też ich nie przyjmowały. Teraz tworzymy materiały, które te drobne elementy są w stanie przyjąć – możemy je tam przechowywać, selektywnie absorbować, a potem odzyskiwać. Stąd np. pomysł, żeby przechowywać wodór w sposób bezpieczny, odzyskiwać i usuwać dwutlenek węgla z powietrza czy odzyskiwać wodę w miejscach, w których tej wody brakuje. Zastosowania są bardzo szerokie. Te podstawowe to właśnie usuwanie dwutlenku węgla, odzyskiwanie wody bądź przechowywanie wodoru. A zatem moglibyśmy pomyśleć o tym, że samochody napędzane na wodór stałyby się dużo bezpieczniejsze – mielibyśmy taki proszek wodorowy, który nie wybuchnie, nie będzie pod ciśnieniem, a jednocześnie będzie dobrym magazynem na wodór. Nagroda Nobla – jak zwykle – obejmuje również element, który pozwala na poszerzenie tego spektrum zastosowań, czyli katalizę. To znaczy, że możemy wpuszczać do tych materiałów cząsteczki, które będziemy przekształcać, a przez to prowadzić procesy np. produkcji paliw czy nowych leków – opisuje dr hab. Wiktor Lewandowski, prof. ucz. z Zakładu Chemii Organicznej i Technologii Chemicznej, Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. 

Od drewnianych kulek do chemicznej rewolucji

Początek tej historii sięga 1974 r., kiedy Richard Robson z Uniwersytetu w Melbourne przygotowywał modele cząsteczek z drewnianych kulek dla studentów. Zauważył wtedy, że sposób, w jaki atomy łączą się ze sobą, można wykorzystać do tworzenia zupełnie nowych konstrukcji. W 1989 r. Robson połączył jony miedzi z cząsteczką organiczną mającą cztery ramiona zakończone grupami cyjankowymi. Każde ramię tej cząsteczki „przyczepiało się” do innego jonu miedzi, tworząc trójwymiarową sieć o bardzo regularnej, przestrzennej geometrii. Powstałe w ten sposób kryształy przypominały diamenty wypełnione niezliczonymi otworami.

Fot. Richard Robson zainspirował się strukturą diamentu, w którym każdy atom węgla jest połączony z czterema innymi, tworząc piramidę. Zamiast węgla użył jonów miedzi i cząsteczki o czterech ramionach, z których każde zakończone jest nitrylem. Źródło: Johan Jarnestad/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

Elastyczne płuca Kitagawy

Kilka lat później, w Japonii, Susumu Kitagawa kontynuował tę ideę. W 1997 r. jego zespół stworzył stabilne i porowate materiały, przez które mogły swobodnie przepływać gazy. Wkrótce odkrył, że MOF-y mogą być elastyczne – zmieniają kształt, gdy pochłaniają lub oddają substancje, niczym mikroskopijne płuca. To odkrycie otworzyło nowy kierunek badań – materiały reagujące na otoczenie. Chemicy zaczęli eksperymentować z MOF-ami, które „oddychają” w odpowiedzi na zmiany ciśnienia lub temperatury, a nawet poruszają się pod wpływem światła. Niektóre z nich potrafią dosłownie „zamknąć się” po wchłonięciu określonego gazu, działając jak inteligentne pułapki molekularne.

Fot. Kitagawie udało się stworzyć metalo-organiczny szkielet poprzecinany otwartymi kanałami. Kanały te mogły być wypełnione różnymi rodzajami gazu. Materiał mógł uwalniać te gazy bez naruszania swojej struktury. Źródło: Johan Jarnestad/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

Yaghi i narodziny MOF-5

Trzeci z laureatów, Omar Yaghi, w latach 90. XX w. opracował nową metodę projektowania materiałów na poziomie atomowym, niczym z klocków LEGO. W 1999 r. stworzył MOF-5 – stabilny i niezwykle pojemny materiał – zaledwie kilka gramów ma wewnętrzną powierzchnię wielkości boiska piłkarskiego! W kolejnych latach Yaghi pokazał, że MOFy można dowolnie modyfikować, tworząc materiały o nowych właściwościach.

Fot. Na początku XXI w. Yaghi wykazał, że możliwe jest wytwarzanie całych rodzin materiałów MOF. Zmienił on połączenia molekularne, co zaowocowało materiałami o różnych właściwościach. Wśród nich znalazło się 16 wariantów MOF-5 z wnękami o różnych rozmiarach. Źródło: Johan Jarnestad/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

Od odkrycia do badań na UW

Po przełomowych odkryciach tegorocznych laureatów chemicy zbudowali dziesiątki tysięcy różnych MOF-ów różniących się strukturą i zastosowaniem. Niektóre z nich mogą usuwać z wody związki PFAS – trwałe substancje chemiczne używane m.in. w teflonie i opakowaniach, które gromadzą się w środowisku i przenikają do ludzkiego ciała. Inne konstrukcje są zaprojektowane do dostarczania leków do organizmu lub zarządzania skrajnie toksycznymi gazami. Niektóre potrafią wychwytywać gaz etylenowy z owoców – dzięki czemu dojrzewają one wolniej – lub zamykać w kapsułkach enzymy, które rozkładają śladowe ilości antybiotyków w środowisku. – Struktury metalo-organiczne mają ogromny potencjał, otwierając nowe, wcześniej nieprzewidziane możliwości w zakresie tworzenia materiałów na zamówienie i pełniących nowe funkcje – mówił Heiner Linke, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii.

Praktyczne zastosowania MOF-ów jeszcze przed nami – są one dopiero w początkowej fazie rozwoju – choć równocześnie np. w miejscach, w których rzadko pada, to już jedna z dwóch-trzech wiodących technologii, które mają pomóc w odzyskiwaniu wody z powietrza (podczas gdy my bardziej zastanawiamy się nad wyłapywaniem deszczówki). Prace nad MOF-ami trwają. Także na UW naukowcy działają w sferze badań, które zostały nagrodzone Noblami. Od kilku lat zespół działający w Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych rozwija nowy typ szkieletów metalo-organicznych. Nad strukturami, o których niektórzy badacze – jak czytamy w komunikacie Komitetu Noblowskiego – uważają, iż mają tak ogromny potencjał, że staną się materiałem XXI w., pracuje także prof. dr hab. Paweł Kulesza z Zakładu Chemii Nieorganicznej i Analitycznej, Wydziału Chemii UW. – Próbujemy przetworzyć dwutlenek węgla, by produkować pożyteczne chemikalia, tj. paliwa. Spróbujemy zastosować MOF-y do konwersji dwutlenku węgla np. do metanolu albo kwasu mrówkowego. To przykłady podstawowe. Udaje nam się również na MOF-ach wytworzyć niskotemperaturowo amoniak – garść szczegółów, podkreślając, że MOF-y mogą odegrać ogromną rolę w katalizie, zdradza prof. Kulesza. A  poniżej – na rysunku – kilka przykładów, do czego mogą być zdolne te nowatorskie struktury.

Fot. MOF-303 może wychwytywać parę wodną z pustynnego powietrza w nocy – gdy słońce nagrzeje materiał rano, uwalniana jest woda pitna. MIL-101 ma gigantyczne komory – był używany do katalizy rozkładu ropy naftowej i antybiotyków w zanieczyszczonej wodzie, może być również stosowany do magazynowania dużych ilości wodoru lub dwutlenku węgla. UiO-67 może absorbować PFAS z wody, co czyni go obiecującym materiałem do uzdatniania wody i usuwania zanieczyszczeń. ZIF-8 stosowano eksperymentalnie do wydobywania pierwiastków ziem rzadkich ze ścieków. CALF-20 ma wyjątkową zdolność pochłaniania dwutlenku węgla – jest testowany w fabryce w Kanadzie. NU-1501 został zoptymalizowany pod kątem magazynowania i uwalniania wodoru pod normalnym ciśnieniem – wodór może być używany do zasilania pojazdów, ale w zwykłych zbiornikach wysokociśnieniowych gaz ten jest niezwykle wybuchowy. Źródło: Johan Jarnestad/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

Kim są nobliści?

Susumu Kitagawa – urodzony w 1951 r. w Kioto w Japonii, profesor na Kyoto University. Współtwórca metalo-organicznych struktur porowatych (MOF). W swoich badaniach pokazał, że gazy mogą przepływać przez te struktury oraz że MOFy mogą być elastyczne i użyteczne w praktycznych zastosowaniach.

Richard Robson – urodzony w 1937 r. w Glusburn w Wielkiej Brytanii, profesor na University of Melbourne w Australii. Inicjator idei strukturalnych ram porowatych. Już w 1989 r. zbudował kryształ z jonów miedzi i cząsteczki organicznej z czterema ramionami, który zainspirował powstanie współczesnych MOFów.

Omar M. Yaghi – urodzony w 1965 r. w Ammanie na Jordanii, profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w USA. Rozwija dziedzinę chemii siatkowej, stworzył MOF-5 oraz systemy MOF, które mogą być modyfikowane zgodnie z potrzebami – np. by pochłaniać CO₂ lub pozyskiwać wodę z powietrza.

Fot. Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla z chemii. Źródło: Serwis Naukowy UW/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

Źródło artykułu: Serwis Naukowy UW