Лауреатами Нобелевской премии по химии 2025 года стали Сусуму Китагава, Ричард Робсон и Омар Яги. Они создали новый класс материалов — металл-органические каркасные структуры. Эти соединения состоят из металлических узлов, соединённых органическими «мостиками», и образуют решётки с пустыми пространствами внутри.
Алена Стародубцева, научный сотрудник лаборатории технологий электрохимических производств Казахского национального университета имени аль-Фараби, уже несколько лет занимается этой областью химии. Она рассказывает, в чём суть открытия новых Нобелевских лауреатов и почему эти материалы сегодня так важны.
Около 100 лет назад химики начали получать первые координационные полимеры — соединения, в которых ионы металлов связаны с органическими лигандами. Однако такие структуры были неустойчивыми, они существовали только в растворе и разрушались при высушивании.
Ситуация изменилась в конце 1980-х, когда Ричард Робсон предложил использовать жёсткие органические молекулы, способные соединять металлические центры в регулярную пространственную сеть. В 1989 году он получил устойчивый кристаллический координационный полимер — прообраз будущих MOF.
Главная идея Робсона заключалась в том, что форму и симметрию каркаса можно заранее спроектировать, подбирая геометрию металлов и органических связок.
Впервые стало ясно: структура вещества не случайна — её можно конструировать, как архитектурное сооружение.
Однако эти ранние каркасы ещё были «хрупкими», при удалении растворителя они разрушались.
Следующий этап в развитии этой области связан с работами Сусуму Китагава и Омара Яги в 1990-е годы. Китагава впервые систематизировал пористые координационные структуры, выделив три «поколения» МОФов:
● первое поколение — самые «хрупкие», они разрушаются, если удалить молекулы, находящиеся внутри пор.
● второе поколение — уже более устойчивые, сохраняют форму и структуру, даже если из пор убрать все молекулы.
● третье поколение — самые «умные», они могут менять размер пор, словно «дышат», впуская и выпуская молекулы.
Омар Яги в 1995 году создал стабильный МОФ нового типа — MOF-5, который стал модельным соединением для целого направления исследований. Этот материал впервые сохранял кристаллическую структуру после удаления растворителя: подобно губке, он удерживал форму даже в пустом состоянии. Жёсткие ароматические лиганды обеспечили термическую стабильность до 300–350 °C и сделали возможным широкое практическое применение МОФов.
Металл-органические каркасные структуры сегодня представляют собой одно из самых быстроразвивающихся направлений современной химии материалов. Известно уже более 100 000 разновидностей MOF-структур, и каждая из них обладает уникальным сочетанием свойств — пористости, гибкости, термической и химической устойчивости. Благодаря этому они находят применение в самых разных областях: от сепарации и хранения газов до катализа, сенсоров, накопителей энергии.
Современная химия уже давно вышла за рамки простого получения веществ. Сегодня это наука о проектировании материалов под конкретные функции.
В нашей лаборатории Казахского национального университета имени аль-Фараби мы работаем именно в этом направлении — синтезируем металл-органические каркасные структуры, заранее закладывая в них нужные свойства.
Мы создаём материалы не «в общем виде», а под конкретные задачи.
Для электрохимиков — это проводящие пористые структуры, способные быстро транспортировать ионы и электроны и сохранять стабильность при многократных циклах заряд-разряд. Такие MOF рассматриваются как перспективные материалы для металл-ионных аккумуляторов.
Для экологов мы разрабатываем другие материалы — универсальные сорбенты для отбора проб воздуха, воды и почвы. Здесь главное не проводимость, а химическая и термическая устойчивость, а также огромная площадь поверхности, позволяющая улавливать даже следовые количества загрязнителей.
Поддержите журналистику, которой доверяют.
