Нобелевская премия по химии 2025 года была присуждена Ричарду Робсону, Сусуму Китагаве и Омару Яги 8 октября 2025 года за разработку металлических органических каркасов (МОК), которые представляют собой настраиваемые кристаллические структуры с чрезвычайно высокой пористостью.
МОК — это класс материалов, которые изменили подход учёных к проектированию и пониманию материи, стимулируя прогресс в различных областях применения.
Что такое МОК?
Металлические органические каркасы — это кристаллические структуры, построенные из двух компонентов: металлов, которые действуют как соединительные узлы, и органических молекул (на основе углерода), которые ведут себя как мосты, соединяющие эти узлы в повторяющемся порядке. В результате получается высокоупорядоченная пористая структура — своего рода молекулярная архитектура, которая одновременно прочная и полна пустого пространства.
Эти каркасы настолько пористые, что их трудно представить. Один грамм МОК имеет столько пор, что его внутренняя площадь поверхности сопоставима с площадью футбольного поля. Удивительно, что горсть порошка может скрывать внутри целый ландшафт поверхности.
Огромная площадь поверхности — одна из уникальных особенностей, которая делает МОК такими мощными. Она обусловлена наноразмерными порами — крошечными молекулярными комнатами, которые могут улавливать, разделять, преобразовывать или транспортировать газы, ионы и другие молекулы.
Дизайн и универсальность МОК
Что завораживает меня в металлических органических каркасах, так это их безграничное дизайнерское пространство. Каждый металл в принципе может служить краеугольным камнем, а бесчисленные органические молекулы могут действовать как мосты, соединяющие их. Даже использование одной и той же комбинации может привести к созданию совершенно разных архитектур.
Учёные синтезировали более 90 000 МОК, а вычислительные химики предсказали существование ещё сотен тысяч. Немногие семейства материалов предлагают такую универсальность.
Я люблю представлять МОК как головоломки или наборы Lego, но в атомном масштабе. Вы можете заменить одну деталь, изменить её цвет или форму, и в результате получится материал, который ведёт себя совершенно иначе.
Добавьте новое «украшение» — то, что химики называют функциональной группой, — и каркас внезапно распознаёт новую молекулу. Растяните органические мосты, и та же архитектура раздуется, как воздушный шар, давая то, что мы называем изоретикулярными МОК. У них та же структура, но больше пор.
Применение МОК
Помимо научной элегантности, МОК невероятно перспективны для реальных технологий. Различные структуры и функциональные возможности приводят к различным свойствам и, следовательно, к различным применениям.
Некоторые МОК действуют как молекулярные сита, избирательно улавливающие углекислый газ из промышленных выбросов или даже непосредственно из воздуха. Другие очищают загрязнённую воду, удаляя тяжёлые металлы, красители или вечные химикаты.
Некоторые МОК могут также переносить лекарства или визуализирующие агенты внутри тела для медицинских применений. В энергетике они функционируют как электроды или электролиты, которые делают батареи более безопасными и эффективными. И многие служат катализаторами, ускоряя химические реакции, которые преобразуют одну молекулу в другую.
Стабильность и масштабируемость
Когда я начал свою докторскую диссертацию, старшие коллеги предупредили меня, что МОК могут быть слишком хрупкими — красивыми кристаллами, которые рассыплются при первом намёке на воздух или влагу. И действительно, некоторые из ранних каркасов были хрупкими диковинками, которыми больше восхищались за их элегантность, чем за выносливость. Но это восприятие резко изменилось.
Многие МОК теперь удивительно прочны. Материал, с которым я впервые работал, представлял собой металлоорганический каркас на основе титана под названием MIL-125. Впервые о нём сообщил Жерар Ферей, один из основоположников сообщества МОК и пористых каркасов, который, к сожалению, скончался в 2017 году. MIL-125 был не только стабильным, но и практически неразрушимым в моей лаборатории.
Этот опыт научил меня чему-то важному: хотя стабильность может быть законной проблемой, МОК повзрослели. Благодаря умной химии у нас есть материалы, которые могут выдерживать воду, тепло и многократное использование.
Исследователи по всему миру внедрили новые свойства в эти материалы — от электропроводности до светочувствительности — и, что особенно важно, добились значительного прогресса в масштабировании синтеза МОК для промышленного применения.
Масштабирование — ключевой шаг в преодолении разрыва между фундаментальным открытием и крупномасштабным внедрением. Исследователи больше не довольствуются изучением МОК в миллиграммах — мы часто планируем работу с граммами, килограммами и даже больше.
Некоторые стартапы превращают эти достижения в реальные технологии — от более безопасного хранения газов до получения чистой воды прямо из воздуха пустыни и создания более энергоэффективных кондиционеров. То, что когда-то казалось научной фантастикой — порошки, которые дышат, улавливают и преобразуют молекулы, — теперь стало научным фактом.
Несмотря на эти достижения, исследователям необходимо продолжать улучшать стабильность и масштабируемость МОК, чтобы полностью реализовать потенциал этих материалов в реальном мире.
Нобелевская премия по химии 2025 года выходит за рамки чествования трёх замечательных учёных — она отмечает целое сообщество: поколение химиков и инженеров, которые превратили одну идею в процветающую область. Новаторские идеи Ричарда Робсона, Сусуму Китагавы и Омара Яги заложили основы для динамичной дисциплины, которая охватывает всё: от хранения газа и катализа до энергетики и экологических технологий.