Нобелевская премия по химии присуждена за создание целого класса новых материалов
Как научить металл «дышать», «поглощать» воду, впитывать и хранить опасные вещества – об этом ученые стали задумываться с конца 1980-х годов. Однако только трем из них удалось осуществить задуманное. Это профессор Мельбурнского университета Ричард Робсон, Сусуми Китагава из Киотского университета и Омар Ягхи из Калифорнийского университета в Беркли. Им удалось создать пористые металлорганические каркасные структуры, через которые могут проходить или удерживаться газы и другие химические вещества. За это 8 октября ученым была присуждена Нобелевская премия по химии-2025.
Металлорганические каркасы (МОК) представляют собой материалы с пористой структурой, похожей на губку. Их кристаллическая решетка состоит из узловых металлических шариков, связанных между собой органическими молекулами. Они образуют трёхмерную структуру с крошечными пустотами. Благодаря этим пустотам МОК получаются очень легкими и имеют большую площадь поверхности. Это их свойство и явилось основным для поглощения газов и прочих веществ. Сферы применения этих материалов многочисленны: от химической промышленности до медицины.
Особенность пор МОК поглощать и удерживать химические элементы зависит от изменения их размеров под воздействием температуры, газов, жидкостей, электромагнитного излучения и других факторов.
Сами каркасы (на самом деле они выглядят в виде пленок разной толщины или порошка) могут быть твердыми или пластичными в зависимости от того, для чего они применяются. Сегодня они используются для сбора воды из воздуха в пустынях, ими улавливают для последующей утилизации углекислый газ на предприятиях, в них хранятся токсичные газы. Но такими совершенными металлорганические каркасы (МОК) стали не сразу.
Один из нобелиатов, Ричард Робсон первым попытался по-новому использовать свойства атомов для получения новых материалов. В итоге у него получился объемный пористый кристалл, на вид чем-то напоминающий алмаз с наноразмерными дырочками (порами), но с одним недостатком, – конструкция была нестабильна и быстро разрушалась. Но двое других ученых, Китагава и Яги, независимо друг от друга, с 1992 по 2003 год провели ряд экспериментов и показали, что полученная пористая конструкция может поглощать и возвращать газы, и, кроме того, ее можно сделать очень прочной.
Комментарий заведующей лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ Софьи Морозовой:
Металлорганические соединения отличаются упорядоченной пористостью. Если в кристаллической структуре металлов или солей металлов, мы можем увидеть поры, то они будут очень маленькие, а в полимерных материалах – слишком неоднородные по размеру и по форме. Металлоорганические каркасы позволяют создавать идеальные поры с заданным размером, который контролируется использованием определенных соединений.
За счёт такой контролируемой пористости эти материалы можно применять сразу в нескольких областях. Во-первых, их можно использовать как сорбционные материалы, когда они избирательно могут извлекать из окружающей среды какой-то атом или даже молекулу. Во-вторых, они крайне перспективны в органическом катализе, поскольку за счет заданного размера пор могут ускорять важные органические реакции для получения фармпрепаратов и других соединений. И делают они это почти также эффективно, как ферменты. Ну и, в третьих, благодаря этой полости, они могут использоваться как хранители и переносчики, как биомолекул, так и газов. Например, они весьма перспективны для хранения водорода. Это открывает новые возможности для электротранспорта на водородной энергетике, поскольку решит проблемы с безопасностью хранения этого вещества.
– Они активно используются у нас, например, в области водородной энергетики, как соединения для хранения водорода. И востребованность их в современном производстве только растет. В теории же их можно использовать как добавки для улучшения работы топливных элементов, экологически безопасных источников энергии.