Nobel za hemiju ide naučnicima koji su "uhvatili vodu iz vazduha": Revolucija koja će promijeniti svijet

Ovogodišnja Nobelova nagrada za hemiju dodijeljena je trojici naučnika - Japancu Susumuu Kitagavi, Britancu Ričardu Robsonu i Jordancu Omaru Jagiju - za razvoj revolucionarne klase supstanci poznatih kao metal-organski okviri (MOF – Metal-Organic Frameworks).

Njihov izum, objavljeno je u srijedu u Stokholmu, otvorio je sasvim nove puteve u hemiji i pružio mogućnost stvaranja materijala koji mogu rješavati neke od najvećih izazova savremenog svijeta, od klimatskih promjena do nestašice vode.

- Metal-organski okviri imaju ogroman potencijal, donoseći hemiji neviđene mogućnosti za kreiranje materijala s potpuno novim funkcijama - izjavio je prof. Hajner Linke, predsjedavajući Nobelovog komiteta za hemiju.

Nobelov komitet je pohvalio laureate jer su razvili molekularne konstrukcije s velikim šupljinama kroz koje mogu prolaziti gasovi i druge hemikalije. Te strukture, objašnjeno je, mogu se koristiti za izvlačenje vode iz pustinjskog vazduha, hvatanje ugljen-dioksida, skladištenje otrovnih gasova ili ubrzavanje hemijskih reakcija.

Nagrada, koja uključuje i novčani iznos od 11 miliona švedskih kruna (oko milion dolara), dodijeljena je trojici istraživača čije je dugogodišnje eksperimentalno i teorijsko istraživanje promijenilo način na koji nauka razumije strukturu i potencijal materijala.

Od drvenih modela do materijala budućnosti

Priča o Nobelovoj nagradi za hemiju 2025. počinje gotovo slučajno, još 1974. godine u Australiji, kada je Ričard Robson, tada mladi profesor na Univerzitetu u Melburnu, pripremao nastavni materijal za studente hemije. 

Dok je izrađivao drvene modele molekula, shvatio je da raspored "rupa" – mjesta gdje se spajaju atomi – zapravo sadrži sve informacije o obliku molekula. Taj jednostavan uvid inspirisao ga je da razmisli: šta ako bi umjesto atoma povezao cijele molekule i tako stvorio nove vrste materijala?

Godinama kasnije, Robson je uspio izvesti taj eksperiment kombinirajući jone bakra i složene organske molekule. Rezultat je bio prvi materijal sa uređenom kristalnom strukturom punom šupljina – poput dijamanta, ali s praznim prostorima koji omogućavaju prolazak drugih supstanci. Njegov rad iz 1989. godine u "Journal of the American Chemical Society" postavio je temelje onome što će kasnije postati MOF tehnologija.

Japanski naučnik koji je vjerovao u "korisnost beskorisnog"

Drugu ključnu kariku u ovoj priči čini Susumu Kitagava, profesor hemije u Japanu, koji je uvijek slijedio načelo da i ono što izgleda beskorisno može postati izuzetno važno. Devedesetih godina, Kitagava je počeo istraživati porozne molekularne strukture i 1997. godine stvorio je prvi stabilni metal-organski okvir s otvorenim kanalima koji su mogli apsorbirati i oslobađati gasove poput metana, azota i kiseonika, a da se struktura pritom ne uruši.

Uprkos početnom skepticizmu naučne zajednice - jer su već postojali slični materijali, tzv. zeoliti - Kitagava je ustrajao. Uvidio je da su MOF-ovi fleksibilniji i raznovrsniji, jer se mogu graditi od mnogih kombinacija metala i organskih molekula. Godine 1998. objasnio je svoju viziju u članku koji je postao temelj daljeg razvoja MOF-a: Materijali koji "dišu", mijenjaju oblik i mogu se prilagođavati različitim hemijskim okruženjima.

Od jordanske siromašne sobe do najprestižnije svjetske nagrade

Treći laureat, Omar Jagi, imao je potpuno drugačiji put. Odrastao je u siromašnom domaćinstvu u Amanu, bez struje i vode, ali ga je knjiga o molekulima koju je slučajno pronašao u školskoj biblioteci zauvijek fascinirala. Sa 15 godina otišao je u Sjedinjene Države, gdje je kasnije počeo karijeru koja će promijeniti hemiju.

Na državnom univerzitetu u Arizoni (Arizona State University), početkom devedesetih, Jagi je pokušavao razviti novi, kontrolisani način spajanja molekula – "kao Lego kockice". Uspio je 1995. godine kada je stvorio prve dvodimenzionalne mreže od metala i organskih jedinjenja. Dvije godine kasnije, u časopisu Nature, objavio je termin "metal–organic framework", kojim je označio novu klasu materijala sa uređenim šupljinama sposobnim za apsorpciju drugih molekula.

Njegov najpoznatiji materijal, MOF-5, predstavljen 1999. godine, bio je čudo hemijske arhitekture: Stabilan, prozračan i izuzetno "prostran". Samo nekoliko grama tog materijala ima unutrašnju površinu veličine fudbalskog igrališta, što znači da može apsorbovati nevjerovatne količine gasova, uključujući ugljen-dioksid i vodonik.

Materijali koji hvataju vodu iz zraka i ugljen-dioksid iz fabrika

Omar Jagi i njegov tim nastavili su istraživanja i 2002, te 2003. godine stvorili čitavu porodicu MOF materijala s različitim svojstvima. Neki su mogli skladištiti metan, dok su drugi apsorbirali vodenu paru iz pustinjskog vazduha.

Njegov tim izveo je spektakularan eksperiment u pustinji Arizone: Tokom noći, MOF materijal je "uhvatio" vodenu paru iz vazduha, a ujutro, kada bi se materijal zagrijao na suncu, oslobađala se čista voda - pravi izvor pitke vode u sušnim područjima.

Danas, zahvaljujući istraživanjima trojice laureata, razvijeni su MOF-ovi koji mogu:

⦁ izdvajati CO₂ iz zraka i dimnih gasova,

⦁ filtrirati otrovne supstance i industrijske zagađivače,

⦁ usporavati sazrijevanje voća hvatanjem etilenskog gasa,

⦁ pohranjivati energiju u obliku vodonika,

⦁ apsorbirati štetne PFAS spojeve iz vode,

⦁ katalizirati hemijske reakcije, pa čak i

⦁ djelovati kao nosači ljekova u ljudskom tijelu.

Materijal 21. vijeka

Naučnici vjeruju da bi metal-organski okviri mogli postati "materijal 21. vijeka", baš kao što su plastika i silicijum obilježili prethodno doba. Kompanije širom svijeta već ulažu u masovnu proizvodnju MOF materijala, jer oni nude mogućnost da se istovremeno rješavaju problemi klimatskih promjena, energetike i zagađenja.

U obrazloženju odluke, Nobelov komitet je istakao da su Kitagava, Robson i Jagi "otvorili nove horizonte za hemiju". Njihov rad omogućio je naučnicima širom svijeta da dizajniraju desetine hiljada različitih MOF-ova, čime su, kako se navodi u testamentu Alfreda Nobela, "donijeli najveću korist čovječanstvu".