Pengumuman Jawatankuasa Nobel memberi tumpuan tiga rujukan dalam kimia bahanSusumu Kitagawa, Richard Robson, dan Omar M. Yaghi. Kerja mereka telah melahirkan keluarga komposit berliang yang mampu melakukan perkara yang baru-baru ini kelihatan seperti fiksyen sains.
Struktur ini, yang dikenali sebagai MOF, membenarkan mewujudkan ruang dalaman yang besar pada skala molekul di mana bahan ditangkap, dipisahkan atau diubah. Daripada menangkap karbon dioksida kepada mengekstrak air dari udara di kawasan padang pasir, kepelbagaian mereka telah menjadi pengubah permainan.
Siapakah pemenang dan apakah sumbangan mereka?
Richard Robson membuka jalan pada tahun 1989 dengan bingkai kristal dengan geometri seperti berlian, dibuat dengan menghubungkan ion logam dengan molekul organik berlengan empat. Rangkaian ini menawarkan kekosongan yang besar, walaupun mereka mengalami ketidakstabilan.
Pada awal 90-an, Susumu Kitagawa menunjukkannya gas boleh masuk dan meninggalkan bahan-bahan ini dan menjangkakan bahawa versi fleksibel boleh direka bentuk, mampu bertindak balas kepada persekitaran seolah-olah ia adalah spring molekul.
Omar M. Yaghi menyatukan bidang itu pada pertengahan 90-an: beliau mencipta istilah MOF dan memperkenalkan struktur yang luar biasa stabilPada tahun 1999, dengan mercu tanda MOF-5, beliau menunjukkan bahawa adalah mungkin untuk menggabungkan liang-liang besar dengan keteguhan haba yang luar biasa.
Juri menekankan bahawa tiga pemenang telah mencipta “ruang baharu untuk kimia”, menawarkan metodologi yang membolehkan saiz dan fungsi liang dilaraskan dengan tahap kawalan yang tinggi. Mereka akan berkongsi geran sebanyak 11 juta kronor Sweden.
Apakah MOF dan untuk apa ia?
MOF ialah rangkaian tiga dimensi di mana ion logam bertindak sebagai simpulan dan molekul organik yang panjang sebagai ligan, membentuk kristal dengan rongga gergasi di dalamnya. Rongga ini menempatkan, memisahkan, atau membimbing molekul seperti yang diperlukan.
Dengan reka bentuk isoretikular, komuniti telah membina berpuluh ribu varian: logam ditukar, ligan diperhalusi, atau fungsi kimia tertentu diperkenalkan untuk "memprogram" bahan.
Imej yang paling berulang untuk menggambarkan mereka ialah "span molekul": sangat berliang, dengan luas permukaan dalaman yang besar. Beberapa gram MOF yang direka dengan baik adalah setara, di kawasan dalaman, dengan sesuatu yang sebesar padang bola sepak.
Seni bina ini membenarkan penggunaan yang telah diuji dalam makmal dan perintis: Penangkapan CO2, penyimpanan hidrogen atau metana, pembendungan gas toksik, tindak balas pemangkin atau penapisan bahan pencemar organik yang berterusan (seperti PFAS) daripada air.
- Penuaian air atmosfera: MOF hidrofilik mereka memerangkap wap pada waktu malam dan mereka melepaskannya dengan matahari.
- Kawalan pelepasan: bahan komersial sudah mengekalkan CO2 dalam arus industri.
- Kesihatan dan Persekitaran: Beberapa MOF membungkus enzim atau memecahkan kesan dadah.
- Tenaga: keluarga tertentu memudahkan penyimpanan selamat daripada gas mudah terbakar.
Pakar yang dirujuk bersetuju tentang potensi transformatifnya: suara dari sorotan Jawatankuasa Nobel peluang yang belum pernah berlaku sebelum ini untuk mengeluarkan bahan tersuai, manakala penyelidik di Sepanyol menyerlahkan kesannya terhadap penangkapan karbon dan aplikasi bioperubatan.
Penyelidikan telah maju dengan pencapaian seperti MOF-5 dan "kimia retikular", dan hari ini reka bentuk dengan sifat magnetik, elektrik atau optik dan juga sokongan kecerdasan buatan sedang diterokai untuk mencipta struktur baharu.
Industri sedang menguji penyelesaian berasaskan MOF untuk semikonduktor, pembersihan air atau peneutralan gas berbahaya, sementara loji perintis berkembang dan pelaburan dibuat untuk meningkatkan bahan ini.
Selepas tiga dekad kemajuan, bidang itu telah berubah dari kerapuhan awal kepada platform yang stabil dan boleh direka bentuk, mampu bertindak balas terhadap iklim, tenaga dan cabaran alam sekitar dengan penyelesaian yang tidak dapat difikirkan sebelum ini.
Keputusan pemenang Hadiah Nobel mengiktiraf anjakan paradigma: membina bahan seolah-olah ia adalah perancah yang dibuat khas, menggabungkan kimia penyelarasan terbaik dan kimia organik untuk membuka ruang yang semakin berkembang untuk inovasi.
