Proč kovo-organické rámce vyhrály Nobelovu chemii?

Příběh zatím: Po celá staletí bylo hlavním terénem chemie vyrábět stále složitější molekuly, ale brzy se vědcům ukázalo, že všichni byli omezeni na své vlastní hranice. Nobelova cena v Chemistry 2025 Vyznamenává tři vědce, kteří rozšířili tento horizont do zcela nové dimenze. Susumu Kitagawa, Richard Robson a Omar Yaghi byli prohloubeni pro vývoj kovově organických rámců (MOF), malých molekulárních lešení s obrovskými vnitřními prostory, kde se mohou pohybovat, reagovat jiné atomy a molekuly.

Co je MOF?

MOF jsou krystalické struktury, ve kterých kovové ionty slouží jako uzly a organické molekuly jako konektory. Výsledná struktura může mít obrovské vnitřní povrchové plochy – tisíce metrů čtverečních na gram – a jejich póry mohou být přizpůsobeny tak, aby přilákaly nebo držely specifické molekuly.

Chemici klasifikují MOF jako součást větší rodiny zvané koordinační sítě, ale jejich charakteristika je laditelná porozita. Pečlivým výběrem stavebních bloků mohou vědci ovládat velikost a tvar dutin a chemického prostředí uvnitř. Výsledkem je, že MOF patří mezi nejvšestrannější materiály, jaké kdy byly vytvořeny.

Co udělali Robson a Kitagawa?

V 70. letech 20. století Richard Robson na University of Melbourne připravoval modely míče a stick, aby studentům ukázal, jak se atomy spojují. Uvědomil si, že pozice děr vyvrtaných do každého atomu obsahovaly všechny informace potřebné k určení tvaru molekuly. Pokud by tato logika fungovala pro malé molekuly, přemýšlel, mohlo by to být rozšířeno?

O deset let později kombinoval Robson měděné ionty, které se rádi spojují v tetrahedrálním uspořádání, s organickou molekulou nesoucí čtyři ramena končící ve skupinách nitrilu. K překvapení každého, namísto chaotického spleti se komponenty sestavily do diamantového krystalu. Tato mříže nebyla hustá jako diamant, ale plná prázdných dutin, z nichž každá byla schopna hostit jiné molekuly. Robson předpověděl, že takové „rámce“ by mohly být přizpůsobeny iontům zachycení, katalyzující reakce a sítové molekuly podle velikosti.

Robsonovy rané krystaly však byly křehké. Susumu Kitagawa v Japonsku je učinil stabilními a funkčními. Kitagawa, vedený jeho filozofií nalezení „užitečnosti v zbytečném“, pronásledoval porézní materiály, i když vypadaly příliš jemné na to, aby bylo na záležitostech. V roce 1997 použil ionty kobaltu, niklu nebo zinku spojeného přemoženou molekulou zvanou 4,4′-bipyridin k vytvoření skutečného trojrozměrného MOF. Když byl materiál sušen a doplněn, plyny, jako je metan, dusík a kyslík, mohly proudit dovnitř a ven, aniž by poškodily strukturu.

Kitagawa také rozpoznal, že MOF mohou být spíše měkké než tuhé, s flexibilními molekulárními klouby, které jim umožňují expandovat, ohýbat se nebo se ohýbat v závislosti na teplotě, tlaku a molekulách uvnitř.

Jaký byl příspěvek Yaghi?

Omar Yaghi v USA dal MOFS jejich strukturální sílu a reprodukovatelnost. Poté, co vyrostl za skromných okolností v Jordánsku, byl Yaghi fascinován schopností chemie vytvářet nové formy řádu. Na Arizonské státní univerzitě v 90. letech hledal způsob, jak budovat rozšířené materiály podle návrhu, nikoli náhodou, používat kovové ionty jako klouby a organické molekuly jako vzpěry.

V roce 1995 vytvořil první dvourozměrné rámce spojené s kobaltem nebo měděnými ionty, které by mohly hostit jiné molekuly bez kolapsu. O čtyři roky později dosáhl orientační body s MOF-5, robustní trojrozměrnou mříž vyrobenou z iontů zinku a benzenu-dikarboxylátových linkerů. MOF-5 byl silný a zejména několik gramů mělo vnitřní povrchovou plochu srovnatelnou s fotbalovým hřištěm. Bylo také neporušené, když bylo zahříváno na 300 ° C a vyprázdněno ze všech „hostujících“ molekul.

Začátkem roku 2000 stavěl jeho tým celé rodiny MOF se stejnou základní geometrií, ale různé velikosti a funkce pórů.

Proč záleží na MOF?

Řekněme, že máte tenisový míč s povrchovou plochou X. Řekněme, že jeho vnější skořápka je tlustá 5 mm. Jaká bude celková plocha povrchu, když se rozříznete míč? Bude to 2,2krát x (důkaz dostupný na vyžádání)-což je malá ilustrace „magie“ povrchových oblastí. Stejný míč přinesl nejprve určitou povrchovou plochu, pak s jedinou úpravou, která nepřidala žádný nový materiál, přinesl 2,2x! Tato skutečnost vysvětluje polovinu lákání MOF. Druhá polovina má co do činění s tím, jak snadno je mohou chemici učinit pro různé aplikace.

MOF zvaný CALF-20 může účinně zachytit oxid uhličitý z továrního výfuku a již se testuje v průmyslových rostlinách. MOF-303 může sklízet pitnou vodu z vyprahlého pouštního vzduchu tím, že v noci absorbuje páru a uvolní ji na slunečním světle. UIO-67 může z vody odstranit přetrvávající navždy chemikálie (PFA). MIL-101 a ZIF-8 mohou urychlit rozpad znečišťujících látek a obnovit kovy vzácných země z odpadních vod.

V energetickém sektoru mohou NU-1501 a MOF-177 bezpečně ukládat vodík nebo metan při mírném tlaku, což je klíčový krok k vozidlu s čistými palivami. Jiní slouží jako kontejnery pro toxické plyny ve výrobě polovodičů a jako tobolky pro dodávání léčiva, které uvolňují léky v reakci na biologické narážky.