История знает век камня, бронзы и железа. Сейчас мы живем в эпоху кремния — материала, который спрятан в каждом смартфоне и компьютере. Но химик Омар Ягхи из Калифорнийского университета в Беркли уверен: наступает время новых материалов. В 2025 году он получил Нобелевскую премию по химии за изобретения, которые могут полностью перекроить нашу реальность. Речь идет о веществах, которые умеют делать то, что раньше казалось магией: добывать воду прямо из воздуха, ловить углекислый газ как сачком и делать это с эффективностью, от которой захватывает дух.
В 1990-х годах Омар Ягхи и его коллеги взялись решать задачу, которую многие считали бессмысленной тратой времени. Они хотели научиться собирать материалы не наугад, а буквально по молекулам — как дети собирают конструктор Lego. Проблема в том, что при смешивании химических «кирпичиков» природа обычно стремится к хаосу. Вместо аккуратной структуры получается нечто беспорядочное, что трудно изучать и невозможно использовать.
Законы физики диктуют, что энтропия, то есть беспорядок, — это естественное состояние. Ученые же хотели получить кристаллы — идеально упорядоченные структуры, где каждый атом знает свое место. Это все равно что заставить сотню детей встать в идеально ровный круг и не дать им разбежаться.
В 1999 году произошел прорыв. Команда Ягхи синтезировала материал на основе цинка, который назвали MOF-5. Он выглядел как кристаллы, но главное скрывалось внутри. Материал оказался настолько пористым, что всего пара граммов этого вещества имела внутреннюю площадь поверхности, равную футбольному полю. Внутри такой «губки» пространства оказалось намного больше, чем снаружи.
Ученые нашли способ обмануть энтропию. Ключевую роль сыграл правильно подобранный растворитель, который не давал молекулам сцепляться хаотично и позволял им выстраиваться в стройные ряды. Сегодня этим методом пользуются тысячи исследователей по всему миру.
Эти материалы назвали металл-органическими каркасными структурами. В научном мире за ними закрепилась аббревиатура MOF. Позже к ним добавились их «родственники» — ковалентные органические каркасные структуры, или COF. Вместе они образовали целое направление — ретикулярную химию, то есть химию «сеток» или каркасов.
Кулинарная философия и поимка молекул
Когда Омар Ягхи готовит еду, он терпеть не может сложные рецепты с кучей шагов и принципиально не использует масло. Эту же философию он перенес в лабораторию. По его словам, синтез идеального материала должен быть простым и чистым, как приготовление шедеврального блюда.
Весь процесс создания таких «супер-губок» укладывается в три этапа. Сначала химик выбирает основу будущего материала. Потом определяет размер пор — фактически решает, насколько большой должна быть «сетка». Затем, если нужно, на этот скелет навешивают специальные молекулы-ловушки. Завершающий этап — запустить внутрь то, ради чего все затевалось: углекислый газ, пары воды или другие вещества.
В 2024 году группа Ягхи представила материал, который побил рекорды по захвату углекислого газа. Его назвали COF-999. В Беркли провели испытания: больше ста циклов поглощения и высвобождения CO2, и материал не потерял своих свойств. Это открытие позволило создать углерод-улавливающие модули, которые можно устанавливать как на промышленных предприятиях, так и прямо в жилых домах.
Еще одно направление — добыча воды. Разработанные материалы способны собирать тысячи литров воды в сутки прямо из атмосферы. Технология работает даже там, где влажность падает ниже 20 процентов. Например, в пустынях Невады. Ягхи прогнозирует: через десять лет сбор воды из воздуха станет таким же обыденным делом, как включение чайника.
Почему это лучше других технологий
На первый взгляд, конкуренты у MOF-материалов есть. Устройства, которые конденсируют пар из воздуха, существуют давно. Установки для улавливания CO2 тоже не новость. Но у каркасных структур есть принципиальные преимущества.
Первое — экологичность и долговечность. Химики научились управлять процессами настолько точно, что устройства на основе MOF могут работать годами. А когда придет время их заменить, конструкцию просто разбирают в воде. При этом ни одной молекулы MOF не попадает в окружающую среду. Если в будущем такие материалы начнут производить тысячами тонн, человечеству не грозит проблема «MOF-мусора».
Второе — энергоэффективность. Например, чтобы заставить устройство для сбора воды отдать накопленную влагу, не нужно тратить электричество. Достаточно солнечного света. В случае с улавливанием CO2 можно использовать отработанное тепло промышленных производств. Это делает технологию намного дешевле и экологичнее аналогов.
Конечно, без трудностей не обошлось. Главные проблемы сегодня — масштабирование и контроль. MOF-материалы уже научились производить тоннами, а вот их «кузены» COF в таких объемах получать пока сложно. Ученые работают над этим и обещают, что через несколько лет проблема решится.
Вторая задача — точная настройка. Чтобы ловить воду максимально эффективно, материал должен удерживать ее ровно с нужной силой: не слишком слабо, чтобы капли не испарились обратно, и не слишком крепко, чтобы их можно было легко собрать.
Искусственный интеллект приходит в химию
Создание нового материала с заданными свойствами — процесс кропотливый. Сделать рядовой MOF или COF несложно, но чтобы получить вещество с уникальными характеристиками, может уйти целый год. Здесь на помощь приходят алгоритмы.
Омар Ягхи пришел в лабораторию и дал команде простое указание: попробуйте использовать большие языковые модели. Результат не заставил себя ждать. Скорость создания некоторых новых материалов выросла вдвое. Искусственный интеллект помогает перебирать варианты и находить оптимальные сочетания молекул, экономя ученым месяцы рутинной работы.
Что дальше: от химии к биологии
Сегодня ретикулярная химия переживает настоящий бум. Теоретически можно создать миллионы новых MOF-структур. Химики чувствуют себя детьми в кондитерской — выбор огромен, глаза разбегаются.
Одно из самых перспективных направлений — подражание ферментам. В природе ферменты управляют химическими реакциями, ускоряя их в миллионы раз. MOF-материалы способны делать то же самое, но работают дольше и стабильнее. В ближайшее десятилетие это открытие может найти применение в медицине и создании новых лекарств.
Но самые смелые идеи кроются в области так называемых мультивариантных материалов. Пока эта тема развивается только в лаборатории самого Ягхи. Суть подхода в том, чтобы создать MOF, который не был бы однородным внутри. Представьте себе здание, где каждая комната устроена по-своему и предназначена для особой задачи. Внутри такого материала можно создать микроскопические зоны с разной химической средой. Каждая зона будет заставлять конкретную молекулу делать строго определенное действие.
Эксперименты подтвердили: такие неоднородные материалы впитывают газы гораздо избирательнее и быстрее. Для химиков это революция мышления. Раньше они стремились к идеальной однородности. Теперь приходит понимание, что упорядоченный скелет может сочетаться с максимально разнообразным содержимым.
Post Scriptum
Омар Ягги не боится слова «революция». Он признает, что за десятилетия наука видела немало «чудо-материалов», которые так и не изменили мир. Но с MOF и COF ситуация иная. С 1990-х годов интерес к этой области не просто не угас, а растет по экспоненте. Об этом говорит и взрывное количество патентов. Ученые и инженеры продолжают находить новые способы применения этих «губок».
Сегодня ретикулярная химия перестала быть чистой наукой. Она вобрала в себя инженерию, физику, а теперь и искусственный интеллект. Это уже не просто химия — это новый научный фронт.
Мы только слегка прикоснулись к возможностям этих материалов. Идей у исследователей хоть отбавляй. Самое интересное, что мы научились не просто создавать новые соединения, а проектировать их с нуля под конкретную задачу. Такого умения у человечества еще не было. И именно это умение, по мнению нобелевского лауреата, определит облик грядущей эпохи — эпохи супер-губок.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости