Содержание
Эта новая химическая архитектура молекулы может использоваться для очищения воды, разложения следов фармацевтических препаратов в окружающей среде, улавливание углекислого газа или сбор воды из воздуха пустынь.
Королевская Шведская академия наук приняла решение присудить Нобелевскую премию по химии 2025 года Сусуму Китагава (Киотский университет, Япония), Ричарду Робсону (Университет в Мельбурне, Австралия), Омару М. Яги (Калифорнийский университет, Беркли, США) «за разработку металлорганических каркасов».
Лауреаты Нобелевской премии по химии 2025 года создали молекулярные конструкции с большими пространствами, через которые могут проходить газы и другие химические вещества. Эти конструкции, металлоорганические каркасы, могут использоваться для сбора воды из воздуха пустынь, улавливания углекислого газа, хранения токсичных газов или катализа химических реакций.
Сусуму Китагава, Ричард Робсон и Омар Яги удостоены Нобелевской премии по химии 2025 года. Они разработали новую форму молекулярной архитектуры. В их конструкциях ионы металлов играют роль краеугольных камней, связанных длинными органическими (углеродными) молекулами. Вместе ионы металлов и молекулы организованы в кристаллы, содержащие большие полости. Эти пористые материалы называются металлорганическими каркасами (МОК). Изменяя строительные блоки, используемые в МОК, химики могут проектировать их для захвата и хранения определенных веществ. МОК также могут управлять химическими реакциями или проводить электричество.
«Металлоорганические каркасы обладают огромным потенциалом, открывая ранее невиданные возможности для создания индивидуальных материалов с новыми функциями», — говорит Хайнер Линке, председатель Нобелевского комитета по химии.
Китагава показал, что газы могут втекать в конструкции и вытекать из них, и предсказал, что металлоорганические каркасы (МОК) можно сделать гибкими. Яги создал очень устойчивый МОК и показал, что его можно модифицировать, используя рациональную конструкцию, придавая ему новые и желаемые свойства.
После новаторских открытий лауреатов химики создали десятки тысяч различных MOК. Некоторые из них могут способствовать решению важнейших задач человечества, включая очищение воды, доставки фармацевтических препаратов в организм или разложение их следов в окружающей среде, работы с чрезвычайно токсичными газами, улавливание углекислого газа или сбор воды из воздуха пустынь. Также некоторые способны улавливать этиленовый газ из фруктов, замедляя их созревание.
Благодаря работам лауреатов химики смогли разработать десятки тысяч различных МОК, что способствовало появлению новых химических чудес.
Простая деревянная модель
В 1974 году Ричарду Робсону, преподававшему в Мельбурнском университете (Австралия), было поручено превратить деревянные шарики в модели атомов, чтобы студенты могли создавать молекулярные структуры. Для этого ему понадобилась университетская мастерская, где могли бы просверлить в шариках отверстия, чтобы прикрепить к атомам деревянные стержни, означающие химические связи. Однако отверстия не могли располагаться хаотично. Каждый атом, например, углерод, азот или хлор, образует химические связи определенным образом.
Когда мастерская вернула деревянные шарики, Робсон попробовал построить несколько молекул. И тут его осенило: в расположении отверстий был заложен огромный объем информации. Модели молекул автоматически имели правильную форму и структуру благодаря расположению отверстий. Это озарение привело его к следующей идее: что произойдет, если использовать внутренние свойства атомов для соединения различных типов молекул? Можно ли создать новые типы молекулярных конструкций?
Инновационная архитектура
Каждый год, когда Робсон выносил деревянные модели для обучения новых учеников, ему в голову приходила одна и та же идея. Однако прошло более десяти лет, прежде чем он решился проверить ее на практике. Он начал с очень простой модели, вдохновленной структурой алмаза, в которой каждый атом углерода связан с четырьмя другими, образуя пирамиду. Целью Робсона было построить похожую структуру, но основанную на положительно заряженных ионах меди Cu+. Как и углерод, они предпочитают окружать себя четырьмя другими атомами.
Он соединил ионы меди с молекулой, имеющей четыре ветви: 4′,4″,4″‘, 4″″ -тетрацианотетрафенилметан. Важно, что молекула на конце каждой ветви имела химическую группу нитрил, которая притягивалась к положительно заряженным ионам меди.
В то время большинство химиков предполагали, что соединение ионов меди с четырехлучевыми молекулами приведет к образованию «птичьего гнезда» из ионов и молекул. Но все пошло по плану Робсона. Как он и предсказывал, притяжение ионов и молекул друг к другу сыграло свою роль, и они организовались в крупную молекулярную структуру. Подобно атомам углерода в алмазе, они образовали регулярную кристаллическую структуру. Однако, в отличие от алмаза, который является компактным материалом, этот кристалл содержал огромное количество крупных полостей.
В 1989 году Робсон представил свое инновационное химическое изобретение в журнале Американского химического общества. В статье он предполагает, что это может открыть новый способ создания материалов, которым можно будет придать ранее невиданные свойства.
Просторные внутренние «залы»
Уже через год после публикации своей пионерской работы Робсон представил несколько новых типов молекулярных конструкций с полостями, заполненными различными веществами. Одну из них использовал для обмена ионами. Он погрузил заполненную ионами конструкцию в жидкость, содержащую ионы другого типа. В результате ионы поменялись местами, продемонстрировав, что вещества могут втекать в конструкцию и вытекать из нее.
В своих экспериментах Робсон показал, что рациональный дизайн может быть использован для создания кристаллов с просторными внутренними пространствами, оптимизированными для определенных химических веществ. Он предположил, что эта новая форма молекулярной конструкции — при правильном проектировании — может быть использована, например, для катализа химических реакций.
Однако конструкции Робсона были довольно шаткими и часто разваливались. Многие химики считали их бесполезными, но некоторые видели, что он на верном пути. Среди них были Сусуму Китагава и Омар Яги. В период с 1992 по 2003 год они, независимо друг от друга, совершили ряд новаторских открытий.
Гибкая конструкция
Когда Сусуму Китагава представил свою первую молекулярную конструкцию в 1992 году, она не казалась особенно полезной: двумерный материал с полостями, в которых могли скрываться молекулы ацетона. Однако она стала результатом нового подхода к искусству строительства из молекул. Как и Робсон, он использовал ионы меди в качестве краеугольных камней, связанных между собой более крупными молекулами.
В 1997 году он совершил свой первый крупный прорыв. Используя ионы кобальта, никеля или цинка и молекулу 4,4′-бипиридина, его исследовательская группа создала трехмерные металлоорганические каркасы, пересеченные открытыми каналами. После удаления воды из одного из этих материалов он становился стабильным, и пустоты даже можно было заполнить газами. Материал мог поглощать и выделять метан, азот и кислород, не изменяя своей формы.
У химиков уже были цеолиты — стабильные и пористые материалы, которые можно создавать из диоксида кремния, и они способны поглощать газы.
Сусуму Китагава в 1998 году представил несколько преимуществ MOК. Например, их можно создавать из молекул многих типов, что открывает огромный потенциал для различных функций. Кроме того, он создал MOК, которые могут образовывать мягкие материалы, в отличие от цеолитов.
При наполнении его материала водой или метаном тот менял форму, а при опорожнении возвращался к исходной. Материал вел себя подобно живому легкому, способному вдыхать и выдыхать газ, — изменчиво, но стабильно.
Футбольное поле в нескольких граммах
Изучение химии не было очевидным выбором для Омара Яги. Он и его многочисленные братья и сестры росли в одной комнате в Аммане, Иордания, без электричества и водопровода. Школа была для него убежищем от его и без того непростой жизни. Однажды, когда ему было десять лет, он пробрался в школьную библиотеку и наугад взял с полки книгу. Открыв ее, увидел непонятные, но захватывающие картинки — его первое знакомство с молекулярными структурами.
В 15 лет Яги переехал учиться в США. Его привлекала химия и искусство конструирования новых материалов, но традиционный способ создания новых молекул показался ему слишком непредсказуемым. Обычно химики помещают вещества, которые должны реагировать друг с другом, в сосуд. Затем, чтобы начать химическую реакцию, сосуд нагревают. Образуется нужная молекула, но часто вместе с ней — ряд вредных побочных продуктов.
В 1992 году Яги, который уже работал в Университете штата Аризона, поставил цель найти более контролируемые способы создания материалов. Он использовал рациональный дизайн, подобный деталям Lego, для создания крупных кристаллов. Это оказалось сложной задачей, но им, наконец, удалось добиться успеха, когда исследовательская группа начала комбинировать ионы металлов с органическими молекулами.
В 1995 году Яги опубликовал структуру двух различных двумерных материалов; они были похожи на сети и были скреплены медью или кобальтом. Последний мог принимать другие молекулы в своих пространствах, и, когда эти пространства были полностью заняты, он был настолько стабилен, что его можно было нагревать до 350 °C без разрушения. Яги описал этот материал в статье в журнале Nature, где придумал название «металлоорганический каркас».
Этот термин теперь используется для описания протяженных и упорядоченных молекулярных структур, которые потенциально содержат полости и построены из металлов и органических (углеродных) молекул.
В 1999 году Яги ознаменовал новый этап в развитии металлоорганических каркасов, представив миру MOК-5. Этот материал стал классикой в этой области. Он представляет собой исключительно объемную и стабильную молекулярную конструкцию. Даже в пустом состоянии он может нагреваться до 300°C без разрушения.
Однако многих исследователей поразила огромная площадь, скрывающаяся внутри кубических пустот материала. Пара граммов MOК-5 дает внутреннюю площадь размером с футбольное поле, а это значит, что он способен поглощать гораздо больше газа, чем цеолит.
Питьевая вода в пустыне
Омар Яги заложил последние кирпичики в фундамент металлоорганических каркасов в 2002 и 2003 годах. В двух статьях, опубликованных в журналах Science и Nature, он показывает, что можно рационально модифицировать и изменять MOК, придавая им различные свойства. В частности, он создал 16 вариантов MOК-5 с полостями как большего, так и меньшего размера. Один из вариантов мог хранить огромные объемы метана, что, по мнению Яги, может быть использовано в транспортных средствах.
Впоследствии металлоорганические каркасы произвели фурор во всем мире. Исследователи разработали молекулярный набор с широким набором различных компонентов, которые можно использовать для создания новых MOК. Они имеют разную форму и характеристики, что открывает невероятный потенциал для проектирования MOК.
Например, исследовательская группа Яги собирала питьевую воду из воздуха пустыни Аризоны. Ночью их MOК-материал поглощал водяной пар из воздуха.
Материалы будущего
Исследователи создали множество различных и функциональных MOК. До сих пор в большинстве случаев эти материалы использовались лишь в небольших масштабах. Чтобы использовать преимущества MOК-материалов на благо человечества, многие компании инвестируют в их массовое производство и коммерциализацию.
Некоторым это удалось. Например, электронная промышленность теперь может использовать MOК-материалы для удержания некоторых токсичных газов, необходимых для производства полупроводников. Другие MOК могут, напротив, разлагать вредные газы. Многие компании также тестируют материалы, способные улавливать углекислый газ на заводах и электростанциях, чтобы сократить выбросы парниковых газов.
Некоторые исследователи полагают, что металлоорганические каркасы обладают таким огромным потенциалом, что станут материалами XXI века.