Три учёных были удостоены Нобелевской премии по химии 2025 года за открытие новой формы молекулярной архитектуры: кристаллов, содержащих большие полости.
Сусуму Китагава из Университета Киото, Япония, Ричард Робсон из Университета Мельбурна, Австралия, и Омар М. Яги из Калифорнийского университета в Беркли, США, разделят призовой фонд в размере 11 миллионов шведских крон (£870 000).
Премия присуждена за новаторский вклад учёных в разработку так называемых металлорганических каркасов (МОК). МОК — это разнообразный класс кристаллических материалов, которые привлекли большое внимание в химии благодаря наличию микроскопических открытых полостей в их структурах. Они помогают революционизировать «зелёные» технологии, например, сбор воды из воздуха пустынь и улавливание CO₂.
Ширина полостей может варьироваться от нескольких ангстрем (ангстрем — единица длины, равная одной стомиллионной части сантиметра) до нескольких нанометров (миллионная доля миллиметра). Это означает, что они слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом или даже с помощью большинства микроскопов. Но они идеально подходят для размещения различных молекул.
Развитие металлорганических каркасов
Развитие МОК началось в конце 1950-х годов, когда исследователи начали открывать «координационные полимеры». Это материалы, состоящие из связанных цепочек ионов металлов (атомов, которые потеряли или приобрели электроны) и углеродных связующих молекул, известных как линкеры. Эти материалы не содержали полостей, но были основаны на той же металлорганической химии, которая позже привела к созданию МОК.
В конце 1980-х годов исследовательская группа Робсона сообщила, что некоторые координационные полимеры могут быть получены в виде каркасных структур, в которых углеродные линкеры образуют трёхмерные расположения вокруг кластеров молекул жидкого растворителя. Как указано в исследовательской статье Робсона, это выявило «необычную ситуацию, когда примерно две трети содержимого того, что, несомненно, является кристаллом, фактически являются жидкими».
В середине — конце 1990-х годов группа Яги продемонстрировала, что можно получить координационные полимеры, которые сохраняют свою структуру даже после удаления молекул растворителя из полостей. Это был удивительный результат, который развеял преобладающее предположение о том, что такие каркасы хрупкие и разрушатся при удалении растворителя.
В 1997 году исследовательская группа Китагавы показала, что открытые полости можно использовать для поглощения молекул газа. Он также показал, что во многих случаях сам каркас расширяется при поглощении молекул газа и сжимается при их высвобождении. Эти координационные полимеры с постоянными открытыми полостями стали известны как МОК.
Почему МОК так интересны для химиков?
Микроскопические полости внутри МОК обеспечивают уникальное и контролируемое место для проведения химических реакций. Ключевое применение МОК — хранение газа. Во многих случаях эти материалы могут удерживать газы при гораздо более высоких плотностях, чем в их свободном газообразном состоянии.
Это даёт значительные преимущества для «зелёных» технологий, таких как транспортные средства на топливных элементах, в которых водородное топливо должно транспортироваться как можно более эффективно. Многие МОК хорошо работают с определёнными газами, что означает, что они могут помочь разделить газовые смеси в выхлопных потоках или улавливать CO₂ из воздуха для смягчения последствий глобального потепления.
МОК также могут действовать как эффективные катализаторы химических реакций, происходящих в полостях. Одним из ключевых преимуществ МОК в качестве катализаторов является то, что химикам относительно просто переключать и менять металлы и углеродные линкеры, чтобы настроить свойства для конкретной цели.
Помимо газовых молекул, МОК могут также размещать другие небольшие молекулы, такие как фармацевтические препараты. Это означает, что их можно использовать для хранения и доставки лекарств к определённой цели, где их пористая природа позволяет контролировать высвобождение терапевтических химических веществ.
В последние годы МОК показали многообещающие результаты для многих других применений, включая батареи, хранение тепловой энергии и химические датчики (устройства, которые могут отслеживать и обнаруживать химические вещества, такие как загрязнители).
Несмотря на то что они были открыты более трёх десятилетий назад, МОК остаются одной из самых горячих областей исследований в области химии материалов и, несомненно, будут таковыми в течение многих лет.
Материал предоставлен The Conversation.