С момента создания Нобелевского фонда на рубеже 20-х гг.й века 1026 лауреатов были отмечены этой престижной наградой в шести категориях за вклад в развитие человечества. Эта награда послужила барометром научного развития, отмечая самые яркие умы мира, от Марии Кюри до Альберта Эйнштейна и Нильса Бора, за некоторые из величайших открытий современности, в том числе рентгеновские снимки, пенициллин, экстракорпоральное оплодотворение и технологию, лежащую в основе вакцины против COVID-19. Лауреаты премии 2025 года ничем не отличаются: среди лауреатов есть провидцы в области квантовой механики, венгерские мастера литературной апокалиптики и организаторы науки об иммунной системе, которые могут раскрыть человеческое понимание аутоиммунных заболеваний и рака.
Но, возможно, ни один из лауреатов этого года не окажет такого значительного влияния на человечество, как лауреаты Нобелевской премии по химии, чья разработка металлоорганических структур может изменить правила игры для некоторых мировых экологических научных проблем, начиная от изменения климата и загрязнения моря и заканчивая доставкой лекарств. Премия присуждается Сусуму Китагаве, Омару Яги и Ричарду Робсону, международной группе исследователей из Университета Киото, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Мельбурна соответственно. Премия признает одно из самых интересных достижений в молекулярной химии: изобретение новой формы молекулярной архитектуры, в которой большие поры между молекулами, известные как металлоорганические каркасы, или MOF, могут захватывать и хранить вещества, начиная от вредных веществ, таких как углекислый газ или загрязнители воды, и заканчивая улавливанием молекул воды в воздухе пустыни.
Открытие, меняющее правила игры
Проще говоря, металлоорганические каркасы представляют собой кристаллические материалы, состоящие из чрезвычайно пористых сетей ионов металлов, связанных между собой органическими материалами, образующими кавернозные алмазоподобные структуры. Существенным является высокая пористость этих структур. До 90% MOF представляют собой свободный объем, то есть один грамм порошка (достаточно, чтобы заполнить пространство между большим и указательным пальцами) может иметь большую площадь поверхности, чем футбольное поле. Эти обширные внутренние пространства делают MOF более абсорбирующими, чем цеолиты и мезопористый диоксид кремния, и дают MOF множество применений: от хранения газов до доставки лекарств.
Процесс начался с Ричарда Робсона в 1989 году, когда он начал экспериментировать с формированием алмазоподобных молекулярных структур с помощью ионов меди. Эти просторные, похожие на губку кристаллы, состоящие из пирамидальных структур, с бесчисленными большими полостями стали строительными блоками для серии революционных открытий. Со времени ранних экспериментов Робсона и Китагава, и Яги расширили возможности этих молекулярных структур. Китагава, например, показал, как газы могут не только проходить через MOF, но и делать это, не связываясь с органическими каркасами, что позволяет легко удалять их из структур. Яги, со своей стороны, сделал молекулы более стабильными за счет новых молекулярных связей карбоксилатных групп, что позволило MOF выдерживать температуры до 300°C. Еще одним достижением, предпринятым Яги, было увеличение площади поверхности MOF до 7000 квадратных метров на грамм — ключевое достижение для применения MOF в решении проблем изменения климата, нехватки воды и других ключевых научных проблем. И хотя технология, возможно, не сможет обратить вспять изменение климата, металлоорганические структуры обладают таким огромным потенциалом, что некоторые ученые окрестили их материалом 20-го века.
Приложения
Быстрое развитие МФ можно объяснить двумя основными факторами. Во-первых, MOF — это легко настраиваемые структуры. Изменяя тип металла, состав органических связей, температуру или систему растворителей, ученые могут легко создавать новые структуры, создавая их для самых разных целей. Во-вторых, область металлоорганических каркасов обладает огромным научным и коммерческим потенциалом. Фактически, со времени открытий нобелевских лауреатов химики по всему миру создали более 100 000 типов MOF.
Одним из наиболее важных применений MOF является поглощение пробелов, при котором MOF улавливают парниковые газы, такие как метан, углекислый газ и закись азота. без необходимости использования обременительного или дорогостоящего оборудования. Еще одно применение — отделение того, что ученые называют «вечными химикатами», из мировых запасов воды. Пер- и полифторалкильные вещества, известные как ПФАС, представляют собой синтетические загрязнители, которые загрязнили водные пути Земли и от которых чрезвычайно трудно избавиться. За последние несколько лет MOF стали многообещающим решением для удаления этих вредных химических веществ из воды и почвы. Еще одним недавним достижением является использование сетей MOF для сбора воды из воздуха пустыни, что указывает на захватывающие усилия по гидроэнергетике и водосбережению. Помимо изменения климата, химики полагают, что MOF могут изменить широкий спектр областей, включая биомедицину, разложение нефти, садоводство, сбор редкоземельных элементов, флуоресцентные датчики и катализ.
Несмотря на такое использование, масштабное развитие технологии MOF идет медленно. Однако некоторые считают, что эта технология приближается к экономическому прорыву, поскольку снижение производственных затрат, увеличение инвестиций и новые технологии, такие как искусственный интеллект, могут помочь компаниям преодолеть различные узкие места, которые обычно блокировали ее коммерческое применение в течение последних трех десятилетий. Согласно отчету исследовательской компании IDTechEx, рынок MOF может вырасти в 30 раз в течение следующего десятилетия, приближаясь к отметке в миллиард долларов к 2035 году.
