Nagrodzone badania przyniosły światu coś, co można porównać do stworzenia „mikroskopijnych pokoików dla chemikaliów” – sieci krystalicznych przypominających gąbkę. W tych konstrukcjach jony metali pełnią funkcję kamieni węgielnych, połączonych długimi cząsteczkami organicznymi (opartymi na węglu), które działają jak mosty między atomami metalu.
W ten sposób powstają porowate struktury z ogromną powierzchnią wewnętrzną, wypełnione mikroskopijnymi pustkami. Właśnie tam mogą „zamieszkać” cząsteczki gazów lub cieczy.
Wystarczy zmienić rodzaj metalu lub cząsteczki organicznej, by zaprojektować materiał o pożądanych właściwościach. Dzięki temu metalo-organiczne struktury (MOF-y) stały się jednym z najbardziej elastycznych narzędzi współczesnej chemii materiałowej.
Badacze porównują MOF-y do hotelu przyjmującego gości, do szafy lub do rusztowania, które stoi przy bloku podczas remontu. I podkreślają, że ich powstanie wydawało się niemożliwe.
– Tworzyliśmy materiały, które mogły przyjmować gości, ale w sposób niekontrolowany. Dowolny gość, który przyszedł, zostawał zamknięty i uwięziony, a później trzeba go było w jakiś sposób odzyskać, albo tworzyliśmy materiały, które nie były w stanie pomieścić żadnych gości lub też ich nie przyjmowały. Teraz tworzymy materiały, które te drobne elementy są w stanie przyjąć; możemy je tam przechowywać, selektywnie absorbować, a potem odzyskiwać – opisuje dr hab. Wiktor Lewandowski, prof. ucz., z Zakładu Chemii Organicznej i Technologii Chemicznej, Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego.
– Stąd na przykład pomysł, żeby przechowywać wodór w sposób bezpieczny, odzyskiwać i usuwać dwutlenek węgla z powietrza, czy odzyskiwać wodę w miejscach, w których tej wody brakuje. Zastosowania są bardzo szerokie. Te podstawowe to właśnie usuwanie dwutlenku węgla, odzyskiwanie wody bądź przechowywanie wodoru. A zatem moglibyśmy pomyśleć o tym, że samochody napędzane na wodór stałyby się dużo bezpieczniejsze – mielibyśmy taki proszek wodorowy, który nie wybuchnie, nie będzie pod ciśnieniem, a jednocześnie będzie dobrym magazynem na wodór. Nagroda Nobla – jak zwykle – obejmuje również element, który pozwala na poszerzenie tego spektrum zastosowań, czyli katalizę. To znaczy, że możemy wpuszczać do tych materiałów cząsteczki, które będziemy przekształcać, a przez to prowadzić procesy np. produkcji paliw czy nowych leków – naukowiec opisuje potencjalne wykorzystanie MOF-ów.
Od drewnianych kulek do chemicznej rewolucji
Początek tej historii sięga 1974 roku, kiedy Richard Robson z Uniwersytetu w Melbourne przygotowywał modele cząsteczek z drewnianych kulek dla studentów. Zauważył wtedy, że sposób, w jaki atomy łączą się ze sobą, można wykorzystać do tworzenia zupełnie nowych konstrukcji.
W 1989 roku Robson połączył jony miedzi z cząsteczką organiczną mającą cztery ramiona zakończone grupami cyjankowymi. Każde ramię tej cząsteczki „przyczepiało się” do innego jonu miedzi, tworząc trójwymiarową sieć o bardzo regularnej, przestrzennej geometrii. Powstałe w ten sposób kryształy przypominały diamenty wypełnione niezliczonymi otworami.
Elastyczne płuca Kitagawy
Kilka lat później, w Japonii, Susumu Kitagawa kontynuował tę ideę. W 1997 roku jego zespół stworzył stabilne i porowate materiały, przez które mogły swobodnie przepływać gazy.
Wkrótce odkrył, że MOF-y mogą być elastyczne – zmieniają kształt, gdy pochłaniają lub oddają substancje, niczym mikroskopijne płuca. To odkrycie otworzyło nowy kierunek badań: materiały reagujące na otoczenie.
Chemicy zaczęli eksperymentować z MOF-ami, które „oddychają” w odpowiedzi na zmiany ciśnienia lub temperatury, a nawet poruszają się pod wpływem światła. Niektóre z nich potrafią dosłownie „zamknąć się” po wchłonięciu określonego gazu, działając jak inteligentne pułapki molekularne.
Yaghi i narodziny MOF-5
Trzeci z laureatów, Omar Yaghi, w latach 90. opracował nową metodę projektowania materiałów na poziomie atomowym, niczym z klocków LEGO. W 1999 roku stworzył MOF-5, stabilny i niezwykle pojemny materiał – zaledwie kilka gramów ma wewnętrzną powierzchnię wielkości boiska piłkarskiego.
W kolejnych latach Yaghi pokazał, że MOFy można dowolnie modyfikować, tworząc materiały o nowych właściwościach.
Od odkrycia do badań na UW
Po przełomowych odkryciach laureatów dzisiejszych Nagród Nobla, chemicy zbudowali dziesiątki tysięcy różnych MOF-ów, różniących się strukturą i zastosowaniem.
Niektóre z nich mogą usuwać z wody związki PFAS – trwałe substancje chemiczne używane m.in. w teflonie i opakowaniach, które gromadzą się w środowisku i przenikają do ludzkiego ciała. Inne konstrukcje są zaprojektowane do dostarczania leków do organizmu lub zarządzania skrajnie toksycznymi gazami. Niektóre potrafią wychwytywać gaz etylenowy z owoców – dzięki czemu dojrzewają one wolniej – lub zamykać w kapsułkach enzymy, które rozkładają śladowe ilości antybiotyków w środowisku.
– Struktury metalo-organiczne mają ogromny potencjał, otwierając nowe, wcześniej nieprzewidziane możliwości w zakresie tworzenia materiałów na zamówienie i pełniących nowe funkcje – mówił Heiner Linke, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii.
Praktyczne zastosowania MOF-ów jeszcze przed nami, są w początkowej fazie rozwoju, choć równocześnie na przykład w miejscach, w których rzadko pada, to już jedna z dwóch-trzech wiodących technologii, które mają pomóc w odzyskiwaniu wody z powietrza (my bardziej zastanawiamy się nad wyłapywaniem deszczówki).
Prace nad MOF-ami trwają. Także na UW naukowcy działają w sferze badań, które zostały nagrodzone Noblami. Od kilku lat zespół działający w Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych rozwija nowy typ szkieletów metalo-organicznych. Nad strukturami, o których niektórzy badacze – jak czytamy w komunikacie Komitetu Noblowskiego – uważają, iż mają tak ogromny potencjał, że staną się materiałem XXI wieku, pracuje także prof. dr hab. Paweł Kulesza z Zakładu Chemii Nieorganicznej i Analitycznej, Wydziału Chemii UW.
– Próbujemy przetworzyć dwutlenek węgla, by produkować pożyteczne chemikalia, tj. paliwa. Spróbujemy zastosować MOF-y do konwersji dwutlenku węgla np. do metanolu, albo do kwasu mrówkowego. To przykłady podstawowe. Udaje nam się również na MOF-ach wytworzyć niskotemperaturowo amoniak – prof. Kulesza zdradza garść szczegółów i podkreśla, że MOF-y mogą odegrać ogromną rolę w katalizie.
A poniżej – na rysunku – garść przykładów, do czego mogą być zdolne te nowatorskie struktury.
Kim są nobliści?
Susumu Kitagawa – urodzony w 1951 w Kioto (Japonia), profesor na Kyoto University. Współtwórca metalo-organicznych struktur porowatych (MOF). W swoich badaniach pokazał, że gazy mogą przepływać przez te struktury, oraz że MOFy mogą być elastyczne i użyteczne w praktycznych zastosowaniach.
Richard Robson – urodzony w 1937 w Glusburn (Wielka Brytania), profesor w University of Melbourne (Australia). Inicjator idei strukturalnych ram porowatych. Już w 1989 r. zbudował kryształ z jonów miedzi i cząsteczki organicznej z czterema ramionami, który zainspirował powstanie współczesnych MOFów.
Omar M. Yaghi – urodzony w 1965 w Ammanie (Jordania), profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim, Berkeley (USA). Rozwija dziedzinę chemii siatkowej, stworzył MOF-5 oraz systemy MOF, które mogą być modyfikowane zgodnie z potrzebami – np. by pochłaniać CO₂ lub pozyskiwać wodę z powietrza.
Chemia, która zmieniła życie milionów
Synteza cukrów i puryn – 1902, Niemcy
Hermann Emil Fischer otrzymał Nagrodę Nobla w chemii w 1902 roku „za prace nad syntezą cukrów i puryn”. Jego badania stworzyły fundament nowoczesnej chemii organicznej i biochemii, umożliwiając lepsze zrozumienie przemian metabolicznych oraz rozwój syntezy leków i barwników.
Synteza amoniaku (proces Habera-Boscha) – 1918/1931, Niemcy
Fritz Haber otrzymał Nobla w chemii za rok 1918 „za syntezę amoniaku z jego pierwiastków”. W 1931 roku Nagrodę Nobla przyznano Carlowi Boschowi i Friedrichowi Bergiusowi za rozwój metod chemii wysokociśnieniowej. To właśnie dzięki ich pracom możliwe stało się przemysłowe zastosowanie procesu Habera i masowa produkcja nawozów sztucznych.
Witaminy i związki organiczne – 1937, Wielka Brytania/Szwajcaria
Nagrodę Nobla w chemii w 1937 roku otrzymali Walter Haworth „za badania nad węglowodanami i witaminą C” oraz Paul Karrer „za badania nad karotenoidami, flawonoidami i witaminami A i B2”. To odkrycia, które otworzyły erę nowoczesnej biochemii i dietetyki, pozwalając zrozumieć rolę witamin w zdrowiu człowieka.
DNA i inżynieria genetyczna – 1980, USA/Wielka Brytania
Paul Berg, Walter Gilbert i Frederick Sanger otrzymali Nagrodę Nobla w chemii w 1980 roku. Berg został wyróżniony za prace nad rekombinacją DNA, a Gilbert i Sanger za rozwój metod sekwencjonowania DNA. Osiągnięcia te zapoczątkowały erę inżynierii genetycznej i nowoczesnej biotechnologii.
Litowe ogniwa i baterie – 2019, USA/Japonia/Wielka Brytania
John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham i Akira Yoshino otrzymali Nobla w chemii w 2019 roku „za opracowanie i rozwój akumulatorów litowo-jonowych”. Dzięki nim powstały telefony komórkowe, laptopy i samochody elektryczne – to jedno z najbardziej praktycznych odkryć chemii, które kształtuje współczesną gospodarkę i codzienne życie miliardów ludzi.
Jutro zostanie przyznana Nagroda Nobla z literatury. Trwa Tydzień Noblowski UW.
Link do strony wydarzenia: cwid.uw.edu.pl/inicjatywa-uw/tydzien-noblowski-uw
Link do transmisji: www.youtube.com/live/gW_i8_kGsu8
