2025 m. Nobelio chemijos premija skirta Kioto universiteto (Japonija) profesoriui Susumu Kitagawai, Melburno universiteto (Australija) chemikui Richardui Robsonui ir Kalifornijos universiteto Berklyje (JAV) profesoriui Omarui M. Yaghi. Didžiausiu gyviems mokslininkams skiriamu mokslo apdovanojimu jie įvertinti už metalo-organinių karkasų (MOF) kūrimą, atvėrusį naujas galimybes projektuoti porėtas medžiagas, gebančias sugerti, laikyti ir atskirti molekules.

Šis atradimas laikomas naujos cheminės architektūros pradžia – jis leido pereiti nuo atsitiktinės medžiagų sintezės prie racionaliai kuriamų molekulinių konstrukcijų, atveriančių kelius tvaresnei energetikai, aplinkosaugai ir pramonės technologijoms.

Erdvės ir tuštumos chemija

Vilniaus universiteto (VU) Chemijos ir geomokslų fakulteto profesorius Albinas Žilinskas sako, kad šių metų Nobelio premija atkreipė dėmesį į medžiagas, kurios formuojasi savitvarkos principu.

„Metalo-organiniai karkasai susidaro, kai metalo jonai jungiasi su organinėmis molekulėmis – vadinamaisiais ligandais. Iš tokių jungčių susiformuoja kompleksas: ne pavienė medžiaga, o stabili trimačio karkaso struktūra. Tokie junginiai nesubyra, nes susidėlioja pagal savitvarkos principus“, – aiškina VU profesorius.

Jo teigimu, procesas primena baltymo grandinės formavimąsi. Baltymo grandinė sintezės metu iš pradžių būna netvarkinga, o paskui susisuka į spiralę. Taip ir čia – metalo jonai ir organinės molekulės susidėlioja į stabilų karkasą, kuris nesugriūna.

„Tokios struktūros skiriasi nuo įprastų kristalinių medžiagų tuo, kad jų viduje lieka daugybė ertmių – tarsi mikroskopinių kanalų ar porų. Per šias tuštumas gali judėti įvairios molekulės, todėl galima reguliuoti, kurios iš jų patenka į vidų, o kurios – ne. Taip tokie karkasai gali sugerti ar atskirti tam tikras medžiagas. Pavyzdžiui, pašalinti teršalus iš vandens ar sugauti anglies dioksidą iš oro“, – sako prof. A. Žilinskas.

Nuo deimanto struktūros iki stabilaus karkaso

Pirmasis šioje srityje žingsnį 1989 m. žengė prof. R. Robsonas, Melburno universitete sukūręs kristalą, primenantį deimanto struktūrą. Jis parodė, kad metalų jonai gali jungtis su organinėmis molekulėmis į tvarkingą, porėtą gardelę.

Pasak prof. A. Žilinsko, pradėjus nuo deimanto struktūros, vėliau jos tapo sudėtingesnės. Prof. S. Kitagawa sukūrė stabilų karkasą, per kurį galėjo tekėti dujos, o pati struktūra išliko nepažeista. Tuo tarpu prof. O. M. Yaghi pademonstravo, kad šiuos karkasus galima gaminti racionaliai – keičiant statybinius blokus, galima numatyti jų savybes. 1999 m. jis sukūrė itin tvirtą junginį MOF-5, kuris nesuyra net esant 300 °C temperatūrai, ir įvedė „metalo-organinio karkaso“ (angl. metal–organic framework) terminą.

„Buvo pagaminti kompleksai, kurie atlaiko 300 laipsnių temperatūrą. Kreidos ar cukraus gabaliuko dydžio MOF medžiagos viduje paviršiaus plotas toks, kaip futbolo aikštės. Tai reiškia, kad ji gali sugerti labai daug CO₂ molekulių“, – pabrėžia prof. A. Žilinskas.

Nuo pažado iki praktikos: ką dar turi įveikti MOF

VU chemiko teigimu, tokios medžiagos jau dabar turi daug taikymo sričių: „Jeigu teka blogas vanduo, o nenorime paleisti tam tikrų medžiagų į gamtą, MOF sugauna nereikalingus dalykus. Per porėtą medžiagą surenkame teršalus, per kitą galą išbėga švarus vanduo. MOF taip pat sprendžia klimato kaitos ir energetikos problemas. Yra sukurta MOF medžiagų, kurios į save sugauna CO₂ molekules ir jas supakuoja. Kitas taikymas – vandenilio kaupimas. Tai technologinis sprendimas švaresnei energetikai.“

Anot pašnekovo, kol kas didžiausias iššūkis – šių medžiagų gamyba ir pritaikymas dideliais kiekiais. Moksliniais tikslais laboratorijoje pasigaminama tiek, kiek reikia, tačiau norint pereiti į pusiau pramoninį lygį reikia sukurti tinkamus sintezės metodus.

Metalo-organiniai karkasai kelia didžiulius lūkesčius ir, pasak profesoriaus, nėra brangūs, tačiau dar reikia laiko įsitikinti, kiek visa tai saugu. „Kartais džiaugiamės atradimu, bet nežinome, kaip po to su juo tvarkytis. Taip jau buvo su mikroplastiku ar DDT – visi džiaugėsi naujove, o dabar turime problemų. Jei pramoninės chemijos atstovai patvirtins, kad šias medžiagas galima gaminti pramoniniais kiekiais ir kad jų nauda bus didesnė už žalą, jos taps labai svarbios. Bet kol kas dar reikia laiko.

Per pastaruosius dešimt metų buvo labai gerų Nobelio premijų, bet labiausiai man patiko ta, kurią 2019 m. gavo ličio jonų baterijų kūrėjai – profesoriai Johnas B. Goodenoughas (JAV), M. Stanley Whittinghamas (JAV) ir Akira Yoshino (Japonija). Tą atradimą visi galėjo suprasti, nes kiekvienas juo kasdien naudojasi. Šių metų atradimas taip pat labai svarbus, bet ne kiekvienam lengvai suprantamas. Aš labiau už, bet ateitis parodys“, – apibendrina prof. A. Žilinskas.

Šių metų Nobelio chemijos premijos tema plėtojama ir VU. Fizikos fakulteto mokslininkai prof. Mantas Šimėnas ir prof. Jūras Banys su kolegomis tyrinėja metalo-organinius karkasus, taikydami elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) metodus. Bendras jų straipsnis su šių metų Nobelio premijos laureatu prof. S. Kitagawa publikuotas žurnale „The Journal of Physical Chemistry“.