Nobel 2025 za „chemiczne gąbki”. To odkrycie, które zmienia przyszłość naszą i naszej planety
Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2025 r. otrzymali Susumu Kitagawa, Richard Robson oraz Omar M. Yaghi za prace nad klasą chemicznych związków, które w zasadzie nie mają nawet dobrze ustalonej polskiej nazwy. Angielska to metal-organic frameworks, co często skraca się po prostu do MOF.
Dosłownie to „struktury metaloorganiczne”, choć w polskiej literaturze spotyka się także inne nazwy: kompleksy metalooorganiczne, szkielety metaloorganiczne.
Są to krystaliczne polimery, w których cząsteczki metali połączone są organicznymi mostkami. Co istotne, budowa takich związków przypomina gąbkę, doskonale więc pochłaniają gazy lub ciecze. Mają też inną cenną zaletę – do mikroskopijnych otworów tych „gąbek” może pasować jeden i tylko ten konkretny związek chemiczny.
Od kulek i patyczków do chemicznych gąbek
Na pomysł takich chemicznych struktur wpadł w latach 70. Richard Robson, wykładowca australijskiego University of Melbourne. Demonstrował studentom modele prostych związków chemicznych zbudowane z drewnianych kulek i patyczków, które symbolizują atomy i wiązania między nimi. Zapewne przy tej okazji przyszło mu do głowy, że większe i regularne struktury można tworzyć nie z samych atomów, lecz ze związków chemicznych.
Dekadę później w laboratorium połączył proste związki organiczne za pomocą atomów miedzi. Powstały związek miał kształt piramidy z otworami w środku. W 1989 r. Robson przedstawił swoje odkrycie w „Journal of the American Chemical Society”, przewidując, że łączenie prostych związków organicznych za pomocą jonów metali może być sposobem na tworzenie nowych materiałów o nieznanych jeszcze właściwościach – i przewidział przyszłość.
W tym samym roku Robson stworzył jeszcze kilka innych struktur metaloorganicznych i wykazał, że mogą mieć znaczenie praktyczne. Mogą np. pochłaniać tylko jeden związek chemiczny. Puste przestrzenie wewnątrz MOF-u są jak zamki, do których pasują tylko konkretne klucze.
Istniejące materiały porowate – jak stosowany do dziś zeolit – tego nie potrafią. Ich mikroskopijne kanaliki pochłaniają wszystko, co do nich trafi. Niestety ówczesne MOF-y miały jedną zasadniczą wadę – były nietrwałe.
Susumi Kitagawa pracujący na japońskim Uniwersytecie w Kindai stworzył pierwszą stabilną strukturę metaloorganiczną, która nie ulegała degradacji (była to 4,4′-bipirydyna) w 1992 r. Zawdzięczamy mu opracowanie innych stabilnych MOF-ów, nadal jednak miały one sztywną strukturę, czyli były twarde i kruche. Ograniczało to ich praktyczne zastosowanie
Kitagawa stworzył przede wszystkim struktury metaloorganiczne, które były bardziej rozciągliwe i kowalne, czyli poddawały się obróbce. Można było z nich tworzyć już blaszki lub arkusze. To otworzyło drogę do praktycznych zastosowań MOF-ów.
Gąbka na metan, dwutlenek węgla, wodór
Omar Yaghi, profesor chemii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, w dwóch pracach opublikowanych w „Science” w 2002 i „Nature” w 2003 r. wykazał natomiast, że teoretyczne przewidywania Robsona (z końca lat 80. ubiegłego wieku) są prawdziwe. Można w zaplanowany sposób tworzyć struktury metaloorganiczne, które będą mieć pożądane właściwości, czyli będą wyłapywać to, co chcemy.
Wiele laboratoriów doceniło wtedy potencjał MOF-ów. Rozpoczęły się poszukiwania materiałów, które będą pochłaniać dwutlenek węgla z powietrza, wychwytywać zanieczyszczenia przemysłowe z wody lub przechowywać metan albo wodór wykorzystywane jako paliwa.
Yaghi urodził się w Jordanii i z dzieciństwa pamięta, jak cenna jest woda. Wspominał, że wodociąg dostarczał ją tylko przez kilka godzin w tygodniu. „Musieliśmy dbać o każdą kroplę. Woda była bezcenna”, opowiadał w 2019 r. brytyjskiemu tygodnikowi „New Scientist”. Nie powinno nas zdziwić, że poszukiwał związków, które mogą pochłaniać wodę z powietrza
Woda z powietrza, czyli magia MOF-ów
Yaghi wraz z innymi naukowcami z uniwersytetu w Berkeley w 2017 r. stworzył połączenie atomów cyrkonu i cząsteczek kwasu adypinowego, które doskonale absorbuje parę wodną. Potem opracowali urządzenie do nocnego zbierania wilgoci z powietrza. W dzień, gdy ogrzewało je słońce, parująca woda skraplała się na ścianach urządzenia. Naukowcy przez rok testowali prototyp na dachu Arizona State University w Tempe. Otrzymywali wodę nawet w pustynnych warunkach, choć trzeba przyznać, że było jej niewiele.
W 2019 zespół Omara Yaghiego doniósł, że opracował lepszy związek metaloorganiczny. Po pierwsze, zamiast drogiego cyrkonu wykorzystali powszechnie występujący, a więc znacznie tańszy glin. Po drugie, nowy materiał pochłaniał o jedną trzecią wody więcej. Po trzecie zaś, robił to szybciej. Na samym urządzeniu zamontowano panele fotowoltaiczne, które zasilały wentylatory, zwiększające przepływ powietrza przez pochłaniający wodę materiał, a także nieznacznie podgrzewające materiał, by uwalniał wodę. W ten sposób produkcja wody z powietrza nie była już zależna od rytmu dnia i nocy.
Podczas testów na pustyni Mojave, gdzie wilgotność w dzień oscyluje wokół 10 proc., nowe urządzenie produkowało 0,7 l wody dziennie na kilogram wynalezionego przez badaczy materiału. W mniej pustynnych, choć nadal suchych warunkach (przy wilgotności rzędu 30 proc.) było to już 1,3 l.
To z pozoru niewiele, ale jak piszą naukowcy, nawet tyle, to bardzo dużo tam, gdzie wody nie ma wcale. Zespół Yaghiego odkrył więc sposób na produkcję wody z powietrza – nawet na pustyni.
Czytaj także: Woda z powietrza? Przydałaby się całej ludzkości
Co pochłonie MOF? Co tylko chcesz
Sam sposób na czerpanie wody z powietrza tam, gdzie jej brakuje, jest już wart Nagrody Nobla. Jednak MOF-y potrafią, jak już wiemy, zbierać znacznie więcej.
Jak oznajmił przewodniczący komitetu noblowskiego ogłaszający tegoroczną nagrodę z dziedziny chemii, jest to nagroda za stworzenie nowych przestworzy dla chemii. Tak jest w istocie, bo MOF-y niebywale ułatwiają pracę chemikom w laboratoriach, wyłapując niechciane lub pożądane związki.
Zresztą ułatwiają życie nie tylko chemikom, bowiem MOF-y można z pomocą dzisiejszych komputerów zaprojektować tak, by w swoje objęcia łapały niemal dowolną wybraną cząsteczkę. Są takie, które pochłaniają na przykład etylen. To gaz, który powstaje podczas dojrzewania wielu owoców. Wyłapywanie go sprawia, że można przechowywać je dłużej – to zysk dla sprzedawców i dla konsumentów.
Są już MOF-y, które wyłapują z wody związki zwane „wiecznymi chemikaliami” (PFAS), cenne metale rzadkie, które potrzebne są w elektronice. Są MOF-y o pustych przestrzeniach w środku tak dużych, że mogą wyłapywać cząsteczki ropy naftowej, gdy dostanie się do wody. Są i takie, które mogą pochłaniać cząstki antybiotyków unoszące się w ściekach, co zapobiega ich uwalnianiu do środowiska i powstawaniu opornych na te antybiotyki bakterii.
Zanim powstały MOF-y, poszukiwania sposobów na pochłonięcie i związanie czegoś były mocno przypadkowe – polegały na seriach prób i błędów. Dzięki pracom tegorocznych noblistów z dziedziny chemii, Robsonowi, Kitagawie i Yaghiemu, można zasiąść do komputera i zaprojektować MOF, który pochłonie pożądaną przez nas substancję na zawsze, lub taki, który ją na przykład odda po ogrzaniu.
Struktury metaloorganiczne rzeczywiście otworzyły całe przestworza nowej chemii. Mogą mieć niezwykle wiele pożytecznych zastosowań.
Już teraz 3,6 mld ludzi na świecie ma trudności z dostępem do wody przynajmniej przez miesiąc w roku. W połowie stulecia z takim problemem będzie borykać się już 5 mld, czyli połowa ludności. Urządzenia do wychwytywania wody z powietrza opracowane przez zespół Omara Yaghiego mogą okazać się niezbędne. Omar Yaghi mówi: „W atmosferze jest niemal tyle samo wody, co w rzekach i jeziorach całego świata. Zbieranie wody z powietrza może zamienić pustynie w oazy”.