Нобелевская премия по химии 2025 года присуждена трём пионерам в области материаловедения: профессору Сусуму Китагава из Киотского университета, профессору Ричарду Робсону из Мельбурнского университета и профессору Омару Ягхи из Калифорнийского университета в Беркли. Их имена теперь вписаны в историю, благодаря созданию поистине удивительных материалов.
Они разработали и усовершенствовали металлоорганические каркасные структуры (MOFs). Представьте себе губку с невероятно пористой структурой, но на атомном уровне. Один грамм такого материала может иметь внутреннюю поверхность, равную площади футбольного поля! Именно эта пористость позволяет MOFам выполнять функции, которые ранее казались фантастикой.
Чтобы понять истинный масштаб этого открытия, давайте вспомним самого Альфреда Нобеля, чьё имя носит эта престижная премия. В середине XIX века он решил проблему нестабильности нитроглицерина, соединив это мощное, но чрезвычайно опасное взрывчатое вещество с пористым материалом - диатомовой землёй. Результат? Динамит - революционное изобретение, которое сделало взрывчатку гораздо безопаснее, стабильнее и удобнее в использовании. Это не просто изменило строительство и горное дело, позволив прокладывать туннели и дороги с невиданной ранее эффективностью, но и спасло бесчисленное количество жизней, предотвратив случайные детонации.
Лауреаты 2025 года, Сусуму Китагава, Ричард Робсон и Омар Ягхи, сделали нечто столь же фундаментальное и дальновидное, но на совершенно ином масштабе — атомном уровне. Представьте, что вы строите невероятно сложную и точную структуру из молекулярных "Лего", размером настолько малой, что даже самые мощные микроскопы едва ли справятся с её рассмотрением. Они создали искусственные «каркасы», известные как металлоорганические каркасные структуры (MOFs), с порами, размеры которых измеряются в нанометрах.
Как учёные создали эти материалы?
Лауреаты Нобелевской премии не просто обнаружили готовые природные вещества - они буквально придумали, спроектировали и собрали эти материалы с нуля, атом за атомом. Это совершенно новый, революционный подход в химии, получивший название «ретикулярная химия», или химия сетевых структур. Он позволяет создавать материалы с беспрецедентной точностью и настраиваемыми свойствами.
1. Проектирование структуры
Прежде чем приступать к сборке, учёные скрупулёзно моделируют желаемую форму каркаса на компьютере. Используя передовые вычислительные методы, они предсказывают, какие "комнаты" и "коридоры" будут сформированы, какого размера будут поры и как это повлияет на взаимодействие с различными молекулами. Это похоже на работу архитектора, который создаёт 3D-модель здания и рассчитывает каждую деталь, чтобы оно было устойчивым и функциональным. Они рассчитывают, например, какая форма пор будет оптимальной для захвата углекислого газа или хранения водорода.
2. Выбор компонентов
Затем подбираются специфические металлические ионы (например, цинк, медь, железо) и органические молекулы-линкеры (длинные органические "мостики"), которые смогут образовать именно ту структуру, что была спроектирована. Эти компоненты должны обладать определёнными химическими свойствами, чтобы "самостоятельно" соединяться в трёхмерную решётку.
3. Синтез материала
В лаборатории создаются особые условия - определённая температура, давление и растворители, при которых выбранные металлические ионы и органические линкеры самопроизвольно собираются в запланированный каркас. Это похоже на то, как кристаллы растут из раствора: молекулы находят свои места, образуя сложную, но упорядоченную структуру. Это очень точный и контролируемый процесс, который требует глубокого понимания химических реакций.
4. Тестирование свойств
После синтеза каждый новый MOF-материал тщательно тестируется. Учёные проверяют, насколько хорошо он может выполнять задуманные функции: эффективно ли он захватывает газы (например, CO2 из атмосферы или из промышленных выбросов), может ли он разделять сложные газовые смеси (например, очищать метан от примесей), или выступает ли он в роли катализатора для ускорения химических реакций. Эти тесты позволяют убедиться, что материал обладает теми уникальными свойствами, ради которых его создавали.
MOFs можно представить как ультрасовременные молекулярные губки или сита, которые можно «настраивать» для захвата, хранения, фильтрации или даже химического преобразования конкретных молекул с поразительной точностью и эффективностью. Это открывает практически безграничные возможности для решения самых острых проблем современности и напрямую влияет на повседневную жизнь каждого из нас:
- Энергетика будущего: Автомобили, работающие на водороде, где вместо громоздких и опасных баллонов используется небольшой бак, наполненный MOF, способный хранить водород в сотни раз компактнее и безопаснее. Или аккумуляторы нового поколения, которые хранят энергию дольше и заряжаются быстрее благодаря этим уникальным материалам.
- Чистый воздух и вода: В борьбе с изменением климата MOFs могут улавливать углекислый газ прямо из воздуха или промышленных выбросов с эффективностью до 90%. В засушливых регионах, где питьевая вода - настоящее сокровище, всего 1 килограмм специально разработанного MOF способен собрать до 1 литра чистой питьевой воды в день из сухого пустынного воздуха.
- Революция в медицине: MOFs могут стать «умными» нано-контейнерами для лекарств, доставляя их точно к больным клеткам (например, к раковым опухолям), минимизируя побочные эффекты и повышая эффективность лечения. Они также могут использоваться для точной диагностики заболеваний на ранних стадиях, выступая в роли сверхчувствительных сенсоров.
- Передовые технологии: От создания сверхтонких мембран для эффективного разделения газов в промышленности до разработки новых типов катализаторов, которые ускоряют химические реакции, делая производство более экологичным и экономичным - применение MOFs настолько разнообразно, что мы только начинаем осознавать их потенциал.
Открытие Китагавы, Робсона и Ягхи — это не просто научное достижение, это фундаментальный прорыв, сравнимый по своей значимости с открытием динамита Альфреда Нобеля. Оно закладывает основу для целой новой эры материаловедения, сулящей человечеству невиданные ранее решения для самых сложных глобальных вызовов.
Больше интересного про химию, тренажеры для отработки тем, а также полезные конспекты для экзаменов в ТГ-канале: