A fémionokból és szerves összekötőkből épített molekuláris vázak megalkotóit jutalmazták az idei kémiai Nobel-díjjal

A kitüntetettek a molekuláris szerkezetek eddig még nem ismert, új formáját hozták létre. Ezekben a szerkezetekben a fémionok, illetve fémionokból álló klaszterek sarokkőként szerepelnek, amelyeket távtartó rúdként hosszú szerves molekulák, mint ligandumok kötnek össze. A kialakuló háromdimenziós kristályszerkezetben szabályos, összefüggő csatornarendszerek és üregek alakíthatók ki, amelyek hatalmas felszínnel is rendelkeznek (pl. több mint 7000 m²/g). Ezek az anyagok lényegében a szervetlen zeolitok analógjai, ahol azonban radikálisan több szerkezeti és funkcionális variabilitás érhető el. Ez elsősorban a szerves molekulák nagyfokú szerkezeti és funkcionális változatosságából ered, de megemlítendő az is, hogy a felhasználható fémionok köre is jelentősen bővíthető. Jelenleg több mint 88.000 ilyen szerkezetet írtak le, azonban az elvileg előállítható MOF-ok száma több százezer. A fém-szerves térháló komponenseinek változtatásával egyrészt a belső csatornaméretei szabadon változtathatók, de a szerves ”távtartókba” akár új funkciók is beépíthetők, így a szerkezetek alkalmas lehetnek különböző anyagok megkötésére, meghatározott kémiai reakciók katalizálására, illetve bizonyos MOF-ok akár az elektromos áram vezetésére.

Susumu Kitagawa, Richard Robson és Omar M. Yaghi Forrás: Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

Heiner Linke, a kémiai Nobel-bizottság elnöke elmondta, hogy „a fém-szerves térhálós vegyületek családjában hatalmas potenciál rejlik, mivel korábban elképzelhetetlen lehetőséget adnak az új funkciókkal bíró, egyedi gyártású anyagok körében”.

A MOF-ok alapötlete 1974-ben egy oktatási segédeszköz elkészítése közben vetődött fel Richard Robson-ban. Tanszékvezetője arra kérte fel, hogy készítse el néhány szervetlen só kristályos szerkezeti modelljét. E modellek építésekor a különböző atomokat (pontosabban ionokat) megfelelően színezett fagolyók használatával oldotta meg, azonban az atomok megfelelő térbeli elhelyezéséhez fémrudakkal kellett azokat összekötnie. Így a fagolyókban megfelelő szögekben lyukakat kellett fúrnia, s ekkor felismerte, hogy azok megfelelő információval, az előállítandó kristályszerkezet „programjával” vannak ellátva. Ez pedig a következő gondolatot vetette fel benne: „Mi lenne, ha molekulákat használnánk a golyók helyett, és kémiai kötéseket a rudak helyett? Tíz év után vette elő ezt az ötletét, s végül az első sikeres eredményt 1989-ben érte el. Pozitív töltésű, „négykarú” rézionokat és „négykarú” szerves molekulákat kapcsolt össze, s az így létrejött komplexek szabályos kristályrácsot alkottak. Az új anyag szerkezete a gyémánthoz hasonlított, ugyanakkor rendkívül porózus volt.

Robson azonnal felismerte a felfedezett struktúrában rejlő óriási lehetőségeket annak ellenére, hogy az előállított szerkezet még nem volt kellően stabil.

A másik két díjazott, Susumu Kitagawa és Omar Yaghi egy új tudományterület alapjait rakták le Robson eredményeire alapozva; 1992 és 2003 között külön-külön egy sor forradalmi felfedezést tettek. Kitagawa mutatta ki elsőként, hogy a gázok képesek átáramlani a MOF-okon, és megjósolta, hogy a MOF-ok rugalmassá is tehetők. Yaghi megalkotta az első stabil MOF-ot, és megalkotta a racionális, tervezhető szintézisük módszertanát, hogy a létrejövő szerkezet tulajdonságai még inkább megfeleljenek a kívánt céloknak.

A kitüntetettek felfedezései óta eltelt évtizedekben a kémikusok már több tízezer különféle fém-szerves térhálót szintetizáltak. Ezek közül néhány az emberiség legsúlyosabb környezeti problémáinak megoldásához is hozzájárulhat: léteznek olyan MOF-ok, amelyek képesek eltávolítani az úgynevezett „örök szennyezőanyagokat” a vízből, mások a szén-dioxidot vonják ki a levegőből, a gyógyszermaradványokat az ivóvízből, vagy éppen a vízpárát gyűjtik be még a legszárazabb sivatagi levegőből is.