Nobel 2025 z chemii: szkielety albo szukanie dziury w całym

Można by powiedzieć: nareszcie! Już od lat dyskutowano nad tym, czy naukowcy pracujący nad MOF – szkieletami metalo-organicznymi (metal-organic frameworks) nie powinni zostać wyróżnieni. No i – jest! Otrzymało ją trzech uczonych: Susumu Kitagawa (Japonia), Richard Robson (Wielka Brytania/Australia) i Omar M. Yaghi (Jordania/USA).
Zacznijmy jednak od wyjaśnienia, co to są te MOF-y. Można je określić jako dość dziwaczne, ponieważ łączą w sobie dwie, wydawałoby się, sprzeczne cechy – porowatość (jak w przypadku węgla aktywnego) oraz krystaliczność (jak w soli kuchennej). Ot, taka swoista krystaliczna gąbka z wieloma otworkami, czasem nazywana „crystal sponge”. Fragmenty organiczne, zwane formalnie linkerami, mogą mieć bardzo różną długość oraz strukturę. W nich właśnie siedzi cała idea, ponieważ wydłużenie łańcuchów organicznych powoduje to, że zasadnicza struktura ich sieci krystalicznej pozostaje taka sama, natomiast pory, czyli wolne przestrzenie, zmieniają swoją wielkość. W efekcie pozwala to na precyzyjne dostrojenie budowy danego MOF-a do planowanych zastosowań.
Linkery organiczne są wyposażone w co najmniej dwie klasyczne grupy funkcyjne, zwykle karboksylowe (COOH) lub pierścienie heterocykliczne, dobierane w taki sposób, aby tworzyły wiązania koordynacyjne z jonami metali.
Ktoś może powiedzieć: a co to w sumie za sensacja, skoro istnieją sita molekularne, czyli syntetyczne zeolity. Tak, to prawda, ale… sita molekularne mają strukturę bardzo sztywną, w pewnym sensie zbliżoną do pumeksu, natomiast MOF-y to właściwie swoista druciana sieć z koralikami (jony metali), znacznie łatwiej formowalna i łatwa do dostosowania do bardzo konkretnych zastosowań. Ich gęstość jest naprawdę niewielka, 0,2-0,3 g/cm³, czyli kilkakrotnie mniejsza niż wody.
Na początku lat 90. XX w. szkielety metalo-organiczne były w zasadzie ciekawostką naukową. Dziś stanowią naprawdę olbrzymią grupę związków, liczba dotąd zsyntetyzowanych struktur przekracza 100 tys.
Materiały te otrzymuje się rozmaitymi metodami – od wykorzystania mikrofal, elektrochemii, aż do metody solwotermicznej czy też sonochemicznej, i – co ciekawe – mechanochemicznej (z wykorzystaniem młynów kulowych).

Na początku XXI w. Yaghi wykazał, że można stworzyć całą rodzinę MOF-ów, modyfikując długość linkerów organicznych

Do czego mogą służyć MOF-y?

Lista potencjalnych zastosowań jest naprawdę długa. Pierwszy zsyntetyzowany w końcu lat 90. XX w., znany dziś jako MOF-5, miał pierwotnie służyć jako magazyn wodoru. Ma on niesamowity stosunek powierzchni właściwej do objętości: 2200 m²/cm³. Poza gromadzeniem wodoru gazowego mogą one służyć również do rozdzielania mieszanin gazów, specjalistycznej katalizy czy też transporcie leków w organizmie człowieka. Co ciekawe, MOF-5 syntetyzuje się z dość prostych składników – klastrów składających się z tlenku cynku (ZnO) oraz kwasu tereftalowego jako linkera.
 

W 1999 r. Yaghi zsyntetyzował MOF-5, bardzo trwały związek z sześciennymi lukami. Carbon – węgiel, Zinc – cynk, Oxygen – tlen. Cavity – luka

Prowadzone są np. zaawansowane badania nad absorpcją gazowego etylenu z owoców. Może to znaleźć zastosowanie w przechowalniach owoców, aby te nie dojrzewały one zbyt szybko. Z kolei inne MOFy mogą służyć do absorpcji tzw. wiecznych chemikaliów, np. PFAS, z wody. MOFy o największych porach pozwalają z kolei na selektywne wchłanianie nawet dużych cząsteczek, jak witamina B₁₂, a nawet wielokrotnie większe białka fluorescencyjne. Trwają też badania nad wykorzystaniem otworków w MOF jako selektywnych mikronaczyń reakcyjnych. Inną interesującą dziedziną jest wykorzystanie specjalnie syntetyzowanych MOF-ów w bateriach do pojazdów elektrycznych.
Na koniec kilka słów o najmłodszym tegorocznym laureacie, Omarze Yaghi. Urodzony w 1965 roku pochodzi z rodziny uchodźców palestyńskich, którzy znaleźli schronienie w Jordanii. W dzieciństwie wielodzietna rodzina Omara mieszkała w jednej izbie, bez elektryczności i wody, ale za to ze zwierzętami hodowlanymi. W wieku 15 lat, zachęcony przez ojca, wyjechał do USA (choć bardzo słabo znał angielski) i rozpoczął naprawdę imponującą karierę naukową uwieńczoną Noblem. Wielki szacunek.

Autor

Mirosław Dworniczak

Jestem emerytowanym chemikiem, który nadal pisze o rozmaitych sprawach, głównie na łamach miesięcznika „Wiedza i Życie”. Interesuję się naukami ścisłymi, twórczością Leonarda Cohena, popularyzuję e-papierosy jako metodę wychodzenia z nałogu palenia tytoniu. Słucham dobrej muzyki z lat 60. i 70. oraz tzw. piosenki autorskiej (poezji śpiewanej). Bardzo lubię czytać książki – różne, różniste.
Twitter: Mirek „Stary Chemik”
BlueSky: ‪@oldchemist.bsky.social‬

Ostatnie wpisy

Archiwum autora

• chemia29 października 2025Hel – niezwykły i niezbędny
• EM poleca15 października 2025EM poleca (#31) Karol Bączkowski – Książka o pierwszej pomocy napisana przez życie
• chemia8 października 2025Nobel 2025 z chemii: szkielety albo szukanie dziury w całym
• EM poleca17 września 2025EM poleca (#29) – Alice Lugen – „ZATO. Miasta zamknięte w Związku Radzieckim i Rosji”