История началась в 1974 году, когда австралийский химик Ричард Робсон готовил деревянные модели кристалла алмаза для студентов. Ему нужно было просверлить отверстия в шариках-атомах, чтобы соединять их палочками-связями и получить кристалл. Размечая позиции отверстий, он внезапно понял: расположение отверстий содержит огромный объем информации о том, как атомы связываются друг с другом. Это натолкнуло его на революционную идею — использовать естественные свойства атомов для соединения не отдельных атомов, а целых молекул.
Нобелевская премия по химии присуждена за создание структур, способных хранить вещества между молекулами
Нобелевская премия по химии 2025 года присуждена Сусуму Китагаве, Ричарду Робсону и Омару Ягхи за разработку металл-органических каркасов — нового типа молекулярной архитектуры. Эти конструкции содержат обширные полости, которые могут хранить и выпускать молекулы. С помощью таких каркасов можно собрать влагу из воздуха, извлечь загрязнители из воды, уловить углекислый газ и хранить водород для водородной энергетики.
Нобелевская премия по химии 2025 года присуждена за металлоорганические каркасы. Nobel Prize
Научных Нобелевских премий всего три — по физиологии и медицине, по физике и по химии. Завтра будет присуждена премия премия по литературе, а послезавтра — Нобелевская премия Мира. На этом нобелевская неделя заканчивается. Но есть еще одна премия, напрямую связанная с Нобелевской — это премия по экономике. Она не является традиционной Нобелевской премией. Альфред Нобель никогда не учреждал премию по экономике, — она была создана Шведским национальным банком в 1968 году в память о Нобеле, почти через 70 лет после его смерти. Наследники Нобеля протестовали против этого, а некоторые лауреаты «настоящих» премий считают, что премия по экономике незаслуженно использует имя основателя премии. Официально она называется «Премия Шведского национального банка по экономическим наукам памяти Альфреда Нобеля». Ее лауреатов объявят в ближайший понедельник.
Нобелевские лауреаты по химии 2025: Сусуму Китагава, Университет Киото, Япония, Ричард Робсон, Мельбурнский университет, Австралия, Омар М. Ягхи, Калифорнийский университет, Беркли, США. Они удостоены премии «за разработку металлоорганических каркасов».
Ричард Робсон был вдохновлен структурой алмаза, в котором каждый атом углерода связан с четырьмя другими в форме пирамиды. Вместо углерода он использовал ионы меди и молекулу с четырьмя связями, каждая из которых имеет нитрил на конце. Это химическое соединение, которое притягивается к ионам меди. Когда вещества соединили, они образовали упорядоченный и очень вместительный кристалл.
Более десяти лет спустя Робсон проверил свою идею. Он взял положительно заряженные ионы меди и молекулу с четырьмя «руками», на концах которых были химические группы, притягивающиеся к меди. Большинство химиков ожидали, что получится беспорядочный клубок, но Робсон оказался прав: вещества организовались в упорядоченную кристаллическую структуру с огромными полостями внутри. В 1989 году он опубликовал результаты и предсказал, что такой подход откроет путь к созданию материалов с невиданными ранее свойствами.
Но молекулярные конструкции Робсона были непрочными и быстро распадались. Многие считали их бесполезными, но двое ученых — Сусуму Китагава и Омар Ягхи — увидели в них огромный потенциал.
От бесполезного к революционному
Китагава, работавший в Японии, руководствовался принципом «полезность бесполезного», почерпнутым из книги нобелевского лауреата Хидэки Юкавы. В 1997 году Китагава создал трехмерные молекулярные каркасы с открытыми каналами. Эти структуры могли поглощать и выпускать газы без изменения формы. Главное его открытие — понимание, что такие материалы могут быть гибкими, в отличие от традиционных пористых материалов.
В 1998 году Китагава предложил сделать металлоорганические каркасы гибкими. В настоящее время разработаны многочисленные гибкие металлоорганические каркасы, которые могут менять форму, когда их наполняют или из них выпускают различные вещества.
Омар Ягхи, выросший в крохотной квартире без электричества в Иордании, случайно открыл для себя химию в десять лет, тайком забравшись в школьную библиотеку. В возрасте 15 лет уехал в США, где стал замечательным химиком. В 1995 году он ввел термин «металл-органический каркас» (metal–organic frameworks — MOF), а в 1999-м создал MOF-5 — исключительно прочный материал, несколько граммов которого можно растянуть на площади целого футбольного поля. В начале 2000-х Яги показал, как рационально модифицировать эти структуры для разных целей.
В начале 2000-х годов Ягхи показал, что можно создавать целые семейства металлоорганических материалов. Он варьировал молекулярные связи, и в результате получались материалы с различными свойствами. К ним относятся 16 вариантов MOF-5 с полостями разного размера.
Сегодня разработаны десятки тысяч различных каркасов. Исследовательская группа Ягхи добывает питьевую воду из воздуха пустынь в Аризоне — ночью материал улавливает водяной пар, а утром под солнечными лучами отдает воду.
Различные формы металлоорганических каркасов.
Другие MOF улавливают углекислый газ при заводской очистке воздуха, очищают воду от токсичных веществ, хранят водород для водородных двигателей автомобилей, разлагают антибиотики в загрязненной воде и даже замедляют созревание фруктов, поглощая выделяемый ими газ. Электронная промышленность использует MOF для безопасного хранения токсичных газов при производстве полупроводников. А ведь все началось полвека назад с попытки Робсона наглядно показать студентам простую и хорошо известную химическую структуру.