Za co przyznano Nagrodę Nobla z chemii w 2025 roku
Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła werdykt 8 października 2025 roku. Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi dostali nagrodę za opracowanie sieci metaloorganicznych, materiałów zbudowanych z jonów metali połączonych cząsteczkami organicznymi. Pulę 11 mln koron szwedzkich podzielono na trzy równe części.
Taki materiał przypomina rusztowanie pełne pustych przestrzeni. Kilka gramów mieści powierzchnię wewnętrzną wielkości boiska piłkarskiego, więc pochłania znacznie więcej gazu niż materiały znane wcześniej. Przez te wnęki cząsteczki wpływają i wypływają, a chemicy potrafią zaprojektować wnętrze pod konkretną substancję.
Nagrodę rozpisano na trzy etapy jednej historii, która zajęła ćwierć wieku. Robson pokazał, że takie kryształy da się zbudować. Kitagawa dowiódł, że mogą być trwałe i przepuszczać gazy. Yaghi zamienił pomysł w metodę projektowania, po której powstały dziesiątki tysięcy odmian.
Drewniane kulki w Melbourne
W 1974 roku Richard Robson uczył chemii na Uniwersytecie w Melbourne i dostał zadanie przygotowania modeli cząsteczek z drewnianych kulek i pręcików. Żeby model miał sens, otwory na pręciki musiały trafić w konkretne miejsca, bo każdy pierwiastek wiąże się po swojemu. Kiedy warsztat zwrócił wywiercone kulki, Robson zauważył, że w samym położeniu otworów zawarta jest informacja o strukturze.
Stąd wziął się pomysł: skoro atomy wiążą się w określonych kierunkach, może da się tak łączyć nie pojedyncze atomy, a całe cząsteczki. Pomysł wracał co roku przy kolejnym roczniku studentów, ale do eksperymentu minęła dekada z górą.
Wzorem był diament, w którym każdy atom węgla wiąże cztery sąsiednie w kształt piramidy. Robson zamiast węgla użył dodatnio naładowanych jonów miedzi, które też lubią mieć wokół siebie cztery partnerów, i połączył je cząsteczką o czterech ramionach zakończonych grupami nitrylowymi. Większość chemików obstawiała, że wyjdzie z tego nieuporządkowana plątanina. Wyszedł regularny kryształ, a w odróżnieniu od zbitego diamentu był podziurawiony wielkimi wnękami.
Wynik ogłosił w 1989 roku w Journal of the American Chemical Society, dorzucając przypuszczenie, że tak można budować materiały o właściwościach, jakich dotąd nie widziano. Rok później pokazał kolejne konstrukcje i wymianę jonów w ich wnętrzu, czyli dowód, że substancje potrafią przez taki kryształ przepływać. Jego struktury były jednak chwiejne i rozpadały się, więc spora część środowiska uznała je za ciekawostkę bez przyszłości.
Użyteczność bezużytecznego
Susumu Kitagawa przyjął zasadę, którą wyczytał jako student u japońskiego noblisty Hidekiego Yukawy, powołującego się na chińskiego filozofa Zhuangzi: trzeba podważać to, co uznaliśmy za użyteczne, bo rzecz bez natychmiastowego zastosowania może okazać się cenna.
Pierwszą konstrukcję przedstawił w 1992 roku, pracując na Uniwersytecie Kindai. Był to materiał dwuwymiarowy z wnękami, w których mieściły się cząsteczki acetonu, i rzeczywiście nie służył niczemu. Wnioski o granty wracały odrzucone, bo jego materiały były nietrwałe i nie miały zastosowania.
Przełom przyszedł w 1997 roku. Z jonów kobaltu, niklu albo cynku i cząsteczki 4,4′-bipirydyny jego zespół zbudował trójwymiarowe sieci przeszyte otwartymi kanałami. Po wysuszeniu materiał pozostawał stabilny, a kanały dało się wypełnić gazem. Pochłaniał i oddawał metan, azot oraz tlen, nie zmieniając przy tym kształtu.
Recenzenci wciąż nie widzieli powodu, by to finansować, bo chemia miała już zeolity, trwałe materiały porowate z dwutlenku krzemu. Kitagawa opisał więc w 1998 roku w Bulletin of the Chemical Society of Japan, co odróżnia jego sieci od zeolitów. Najważniejsza różnica: zeolit jest twardy, a sieć metaloorganiczna może być miękka. Kilka lat później Kitagawa przedstawił materiał elastyczny, który zmieniał kształt po napełnieniu wodą albo metanem i wracał do pierwotnej formy po opróżnieniu, zachowując się jak płuco wdychające i wydychające gaz.
Biblioteka w Ammanie
Omar Yaghi wychował się z licznym rodzeństwem w jednym pokoju w Ammanie, bez prądu i bieżącej wody. Gdy miał dziesięć lat, zakradł się do zwykle zamkniętej biblioteki szkolnej i wyjął z półki pierwszą książkę, jaka mu wpadła w ręce. Zobaczył w niej niezrozumiałe rysunki struktur cząsteczkowych. W wieku piętnastu lat, na stanowcze polecenie ojca, wyjechał na studia do Stanów Zjednoczonych.
Klasyczna chemia wydawała mu się zbyt nieprzewidywalna: substancje mieszało się w naczyniu, podgrzewało i obok pożądanej cząsteczki dostawało garść produktów ubocznych. Gdy w 1992 roku objął pierwsze stanowisko kierownika grupy na Arizona State University, szukał metody, która pozwoli łączyć składniki w sposób zaplanowany, jak klocki.
W 1995 roku opublikował w Nature strukturę dwóch materiałów dwuwymiarowych spiętych miedzią albo kobaltem. Ten kobaltowy przyjmował obce cząsteczki, a wypełniony wytrzymywał podgrzanie do 350 stopni Celsjusza. W tym samym artykule wprowadził nazwę, która została w nauce do dziś: metal–organic framework.
Cztery lata później przedstawił MOF-5, materiał uznawany za klasykę dziedziny. Pusty wytrzymuje 300 stopni Celsjusza, a kilka jego gramów kryje powierzchnię boiska. W 2002 i 2003 roku dołożył ostatni element podstaw: w Science i Nature wykazał, że sieci można celowo przebudowywać, nadając im różne właściwości. Zrobił szesnaście odmian MOF-5 o wnękach mniejszych i większych od pierwowzoru, a jedna z nich magazynowała tyle metanu, że zaproponował ją do zasilania pojazdów.
Do czego to służy
Zespół Yaghiego sprawdził jedno z zastosowań na pustyni w Arizonie. Materiał MOF-303 wiąże nocą parę wodną z powietrza, a gdy rano nagrzeje go słońce, oddaje wodę, którą da się zebrać do picia.
Inne odmiany mają inne zadania. MIL-101 o wielkich wnękach rozkłada ropę i pozostałości antybiotyków w zanieczyszczonej wodzie oraz magazynuje wodór. UiO-67 wyłapuje z wody substancje z grupy PFAS, przez co nadaje się do oczyszczania. ZIF-8 posłużył w próbach odzyskiwania metali ziem rzadkich ze ścieków. CALF-20 chłonie dwutlenek węgla wyjątkowo sprawnie i jest sprawdzany w warunkach fabrycznych.
Na razie większość tych materiałów działa w małej skali, a firmy dopiero próbują produkcji masowej. Kilka zastosowań już weszło do przemysłu: elektronika przechowuje w sieciach metaloorganicznych część trujących gazów potrzebnych do wytwarzania półprzewodników, a inne odmiany rozkładają gazy szkodliwe, w tym takie, które mogą posłużyć jako broń chemiczna.
Laureaci
| Laureat | Urodzony | Doktorat | Dziś |
|---|---|---|---|
| Susumu Kitagawa | 4 lipca 1951, Kioto | 1979, Uniwersytet w Kioto | Uniwersytet w Kioto |
| Richard Robson | 4 czerwca 1937, Glusburn | 1962, Uniwersytet Oksfordzki | Uniwersytet w Melbourne |
| Omar M. Yaghi | 9 lutego 1965, Amman | 1990, Uniwersytet Illinois | Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley |
Pytania o Nobla z chemii 2025
Za co przyznano Nagrodę Nobla z chemii w 2025 roku?
Za opracowanie sieci metaloorganicznych, materiałów o budowie rusztowania, które dzięki pustym przestrzeniom pochłaniają i uwalniają wybrane substancje. Werdykt ogłoszono 8 października 2025 roku.
Czym są sieci metaloorganiczne?
Kryształami zbudowanymi z jonów metali połączonych cząsteczkami organicznymi. Mają tak dużą powierzchnię wewnętrzną, że kilka gramów materiału mieści powierzchnię boiska piłkarskiego.
Co znaczy skrót MOF?
To angielska nazwa tych materiałów, czyli metal–organic framework. Wprowadził ją Omar Yaghi w artykule z 1995 roku i używa jej dziś cała dziedzina.
Gdzie używa się sieci metaloorganicznych?
Do pozyskiwania wody z powietrza, wychwytywania dwutlenku węgla, magazynowania wodoru i metanu, usuwania PFAS z wody oraz przechowywania trujących gazów w przemyśle półprzewodników.
Czym sieci metaloorganiczne różnią się od zeolitów?
Zeolity są twarde, a sieci metaloorganiczne mogą być miękkie i zmieniać kształt przy napełnianiu. Mają też większą powierzchnię wewnętrzną i dają się projektować pod konkretne zadanie.
Kto dostał Nagrodę Nobla z chemii w 2025 roku?
Susumu Kitagawa z Uniwersytetu w Kioto, Richard Robson z Uniwersytetu w Melbourne i Omar M. Yaghi z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, w trzech równych częściach.