MOF: каркас из металла и органики с огромной площадью внутри
Программируется как код, впитывает как губка - такова суть нового материала, создатели которого стали обладателями высшей ежегодной награды в мире химии - Нобелевской премии 2025.
Сусуму Китагава (Япония), Ричард Робсон (Австралия) и Омар Ягхи (США) составили успешную научную “тройку”, обогнавшую других претендентов на пути к победе и званиям нобелевских лауреатов. Их разработка, посвященная металло-органическим каркасным структурам (MOF), как рассказывают сами ученые, родилась на стыке озарения, нужды и древнекитайской философии.
Человечество веками использовало полезные качества естественных пористых материалов. Искусственно созданные металл-органические каркасы также обладают сильно развитой поверхностью, но в них глубину и ширину пор можно подстраивать под имеющиеся потребности.
1+1+1
О MOF, как новом виде соединений, впервые заговорили на стыке ХХ-ХХI веков. Тогда впервые удалось соединить металл с атомами углерода.
В 1989 году Ричард Робсон теоретически обосновал и синтезировал первые координационные полимеры с регулярными полостями, способные к ионообмену. Он предложил принцип сборки протяженных структур из молекулярных блоков, где ионы металлов выступают узлами, а органические молекулы — связующими звеньями.
Спустя восемь лет Сусуму Китагава создал трехмерные каркасы, которые сохраняли стабильность после удаления молекул растворителя и демонстрировали способность к обратимой сорбции газов. Его работы доказали, что MOF могут образовывать не только жесткие, но и гибкие пористые структуры.
И в конце века Омар Ягхи представил научному сообществу MOF-5 — материал с рекордной удельной поверхностью и исключительной термической стабильностью. Его последующие работы показали возможность целенаправленного конструирования MOF для решения практических задач, включая хранение газов.
Объединение этих открытий позволило создать целое направление химии материалов: Робсон заложил теоретическую основу, Китагава доказал стабильность и гибкость MOF, а Ягхи продемонстрировал их практический потенциал.
БесСверхполезное
Как отмечается в заявлении Нобелевского комитета, эти структуры «можно использовать для получения воды из воздуха пустыни, для улавливания углерода, хранения токсичных газов или изменения скорости химических реакций».
Сегодня на основе MOF создаются системы для адсорбционного извлечения стойких органических загрязнителей из воды, селективного захвата углекислого газа и хранения водорода. В перспективе эти материалы могут стать основой для новых технологий в области экологии, энергетики, фармацевтики и др.
В ближайшем будущем MOF могут совершить революцию в медицине. Ученые работают над «умными» MOF-капсулами, которые будут доставлять лекарства строго в больные клетки, или над MOF-сенсорами, которые по выдыхаемому воздуху смогут диагностировать рак на ранней стадии.
Почему это важно для каждого из нас? Потому что это одна из тех редких научных историй, что обещают не просто новый гаджет, а изменение качества жизни на всей планете. Чистая вода, воздух без лишнего CO₂, доступная зеленая энергия — MOF дают нам в руки реальный инструмент для решения насущных глобальных вызовов.
Факты и цифры
MOF, соединяющие органику и неорганику, не имеют природного аналога.
Согласно утверждению Владимира Федина, заведующего отделом химии координационных, кластерных и супрамолекулярных соединений Института неорганической химии, в одном грамме металл-органического каркаса помещается площадь внутренней поверхности футбольного поля (7400 квадратных метров).
Омара Яги, талантливого ученого из семьи бедных палестинских иммигрантов, к изучению способов получения влаги подтолкнули воспоминания о нужде в детстве. Его семья получала воду лишь раз в две недели.
Первые наработки ученых в данном направлении были встречены волной критики и скептицизма.
В современной промышленности молекулы с близкими свойствами разделяют крайне энергозатратным методом криогенной дистилляции. Аналогичный процесс с применением металл-органических каркасов потребляет в разы меньше энергии.
Наша наука
В России работа с металл-органическими каркасами ведется в Новосибирском Институте неорганической химии СО РАН, в Институте общей органической химии им. Курнакова, в Институте физической химии и электрохимии им. Фрумкина, НИТУ МИСИС.
Ученые заняты изучением разделения водорода на отдельные фракции при помощи MOF для удешевления отечественных промышленных процессов; разработкой новых катализаторов, позволяющих перерабатывать углекислый газ в компоненты топлива; созданием элементарных бытовых сенсоров, определяющих кол-во антибиотиков в мясе и многими другими перспективными и важными задачами.