Нобелевскую премию по химии 2025 года присудили ни за что

Три учёных были удостоены Нобелевской премии по химии 2025 года за открытие новой формы молекулярной архитектуры: кристаллов, содержащих большие полости.

Сусуму Китагава из Киотского университета, Япония, Ричард Робсон из Мельбурнского университета, Австралия, и Омар М. Яги из Калифорнийского университета в Беркли, США, разделят призовую сумму в 11 миллионов шведских долларов. крон (870 000 фунтов стерлингов).

Премия признает новаторский вклад трех ученых в разработку так называемых металлоорганических каркасов (Mofs).

Mofs — это разнообразный класс кристаллических материалов, которые привлекли большое внимание в химии из-за наличия микроскопических открытых полостей в их структурах. Они помогают совершить революцию в экологически чистых технологиях, таких как сбор воды из воздуха пустыни и улавливание CO₂.

Ширина полостей может варьироваться от нескольких ангстрем (ангстрем — единица длины, равная одной стомиллионной доли сантиметра) до нескольких нанометров (миллионная доля миллиметра). Это означает, что они слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом или даже с помощью большинства микроскопов. Но они идеального размера для размещения различных молекул.

Развитие Mofs можно проследить до конца 1950-х годов, когда исследователи начали открывать «координационные полимеры». Это материалы, состоящие из связанных цепочек ионов металлов (атомов, которые потеряли или приобрели электроны) и мостиковых молекул на основе углерода, известных как линкеры.

Эти материалы не содержали полостей, но они были основаны на той же металлоорганической химии, которая позже привела к появлению Mofs.

В конце 1980-х годов исследовательская группа Робсона сообщила, что некоторые координационные полимеры можно получить в виде структуроподобных структур, где: что особенно важно, линкеры на основе углерода образовывали трехмерные структуры вокруг кластеров молекул жидкого растворителя.

Как упоминалось в исследовательской статье Робсона, это выявило «необычную ситуацию, в которой примерно две трети содержимого того, что, несомненно, является кристаллом, фактически является жидкостью».

В середине-конце 1990-х годов группа Яги продемонстрировала, что можно получить координационные полимеры, сохраняющие свою структуру даже после удаления молекул растворителя из полостей.

Это был неожиданный результат, который развеял преобладающее предположение о том, что такие каркасы хрупкие и разрушатся, если растворитель был удален.

В 1997 году исследовательская группа Китигавы показала, что открытые полости можно использовать для поглощения молекул газа. Он также показал, что во многих случаях сама структура расширяется по мере того, как молекулы газа поглощаются ею, и сжимается при их высвобождении. Эти координационные полимеры с постоянными открытыми полостями стали известны как Mofs.

Открытия трех ученых фактически ознаменовали рождение современной химии Mof, с тех пор по ним было опубликовано много тысяч исследовательских статей.

Широкий спектр применения

Почему Mofs так интересны химикам? Микроскопические полости внутри Mofs обеспечивают уникальное и контролируемое место для химических процессов.

Основное применение Mofs — хранение газа. Во многих случаях эти материалы могут удерживать газы с гораздо более высокой плотностью, чем в свободном газообразном состоянии.

Это дает значительные преимущества для экологически чистых технологий, таких как транспортные средства на топливных элементах, в которых водородное топливо должно транспортироваться максимально эффективно.

Многие Mofs особенно хорошо работают с конкретными газами, а это означает, что они также могут помочь разделить газовые смеси в потоках выхлопных газов или улавливать CO₂ из воздуха, чтобы уменьшить выбросы. последствия глобального потепления.

Мофы также могут выступать в качестве эффективных катализаторов химических реакций, происходящих в полостях. Одним из ключевых преимуществ Mofs как катализаторов является то, что химикам относительно просто переключать и заменять металлы и углеродные линкеры, чтобы настроить свойства для конкретной цели.

Помимо молекул газа, Mofs могут вмещать и другие небольшие молекулы, например фармацевтические препараты. Это означает, что их можно использовать для хранения и доставки лекарств к определенной цели, где их пористая природа позволяет контролировать высвобождение терапевтических химикатов.

В последние годы Mofs продемонстрировали многообещающие возможности для многих других применений, включая батареи, накопление тепловой энергии и химические датчики (устройства, которые могут контролировать и обнаруживать химические вещества, такие как загрязняющие вещества). Удивительно, но остается еще много других приложений, которые еще предстоит изучить.

Несмотря на то, что Mofs были открыты более трех десятилетий назад, они остаются одной из самых горячих областей исследований в химии материалов и, без сомнения, будут оставаться таковыми в течение многих лет.

Джон Гриффин, профессор химии материалов, Ланкастерский университет

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.