جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۵ به اسفنجهای مولکولی رسید که آب را تصفیه میکنند، انرژی ذخیره میکنند و به پاکسازی محیطزیست کمک میکنند.
سه دانشمند، از جمله یک پژوهشگر آمریکایی، جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۵ را برای توسعه «چارچوبهای فلزی–آلی» (MOFs) دریافت کردند؛ قفسهای مولکولیِ چندمنظورهای که میتوانند آلایندهها را به دام بیندازند، انرژی ذخیره کنند و حتی داروها را به نواحی مشخصی از بدن برسانند.
نوبل شیمی ۲۰۲۵ برای یک فناوری با کاربردهای شگفتانگیز
جایزه نوبل شیمی سال ۲۰۲۵ به فناوریای اعطا شد که دامنهای حیرتانگیز از کاربردها دارد؛ از پاکسازی محیطزیست و ذخیره انرژی گرفته تا پزشکی پیشرفته و دارورسانی هدفمند. این فناوری «چارچوبهای فلزی–آلی» یا MOFها هستند؛ موادی که به دلیل ساختار بسیار متخلخل خود، مانند اسفنجهای مولکولی عمل میکنند.
پشت این دستاورد، دههها پژوهش در علومپایه نهفته است؛ از شیمی معدنی و شیمی فیزیک که امکان شناخت و طراحی پیوندهای فلز–لیگاند را فراهم کردند، تا بلورشناسی و فیزیک حالت جامد که ساختار این مواد را در مقیاس اتمی آشکار ساختند. حتی کاربردهای پیشرفتهی MOFها، حاصل فهم بنیادی رفتار ماده، انرژی و برهمکنشهای مولکولی است، دانشی که ابتدا صرفاً برای کشف قوانین طبیعت توسعه یافت.
MOFها نهتنها در آزمایشگاهها، بلکه در دنیای واقعی هم حضور دارند: برخی از آنها وارد کارآزماییهای بالینی برای کمک به درمان سرطان (در پرتودرمانی) شدهاند، برخی برای بهداماندازی دیاکسیدکربن حاصل از صنعت سیمان فروخته میشوند و برخی دیگر در مسیر تولید و ذخیره هیدروژن بهعنوان سوخت پاک نقش دارند.
MOF چیست و چرا اینقدر مهم است؟
MOFها ترکیبی از شیمی و علم مواد هستند. آنها از اتصال یونهای فلزی به مولکولهای آلی (کربندار) ساخته میشوند. این اتصالها به شکل بلورهایی منظم تکرار میشوند و ساختاری قفسمانند میسازند؛ قفسی که درون آن حفرهها یا منافذ (pores) وجود دارد، درست مثل سوراخهای یک اسفنج.
این قفسها میتوانند:
- یکبعدی یا چندبعدی باشند،
- از فلزات و پیونددهندههای آلی مختلف ساخته شوند،
- و منافذی با اندازههای دقیق و تقریباً یکنواخت داشته باشند.
همین کنترل دقیق اندازه منافذ است که MOFها را به ابزارهایی بیرقیب برای جداسازی، جذب و ذخیره مواد مختلف تبدیل میکند؛ نمونهای روشن از پیوند علوم پایه با فناوریهای نوین که نهادهایی مانند باشگاه علومپایه و فناوری یونسکو در ترویج و آموزش آن نقش کلیدی دارند.
برندگان نوبل: معماران اسفنجهای مولکولی
سه دانشمند پشت این دستاورد بزرگ قرار دارند:
- سوسومو کیتاگاوا (Susumu Kitagawa)
- ریچارد رابسون (Richard Robson)
- عمر ام. یاقی (Omar M. Yaghi)
این سه پژوهشگر جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۵ را مشترکاً دریافت کردند و مبلغ ۱۱ میلیون کرون سوئد (حدود ۱ میلیون دلار) را میان خود تقسیم خواهند کرد.
در یک نشست خبری، عمر یاقی، شیمیدان دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، به کاربردهای گستردهتری هم اشاره کرد؛ از جمله بهداماندازی گازهای بسیار خطرناک. به گفته او، MOFها «راههای کاملاً جدیدی از کاربردها را باز کردند که مواد دیگر از انجام آن ناتوان بودند.»
تولد MOFها؛ از ایده تا واقعیت
ایده نخستین MOFها از ذهن ریچارد رابسون، پژوهشگر دانشگاه ملبورن، شکل گرفت. الهام او از ساختار چهاروجهی اتمهای کربن در الماس بود؛ ساختاری هرمیشکل و بسیار منظم.
او ترکیبی از مس را با یک ترکیب آلی به نام نیتریل (مولکولی شامل نیتروژن و کربن) مخلوط کرد. نتیجه، ساختاری تکرارشونده با فضاهای خالی کوچک بود؛ چیزی شبیه به اسکلت اولیه MOFها. در این مرحله، علومپایه بهویژه شیمی معدنی، بلورشناسی و شناخت برهمکنشهای الکترونی نقش کلیدی در امکانپذیر کردن چنین ترکیبی داشتند. البته این نمونههای اولیه پایداری بالایی نداشتند و هنوز راه زیادی تا کاربردهای عملی باقی مانده بود؛ چالشی که خود، مسیر دههها پژوهش بنیادی بعدی را هموار کرد.
قدرت واقعی MOFها در منافذ آنهاست
به گفته لینگ ژانگ (Ling Zang)، دانشمند علم مواد از دانشگاه یوتا، راز قدرت MOFها در ماهیت متخلخل آنها نهفته است؛ مفهومی که در آموزشها و فعالیتهای ترویجی باشگاه علومپایه و فناوری یونسکو نیز بهعنوان نمونهای روشن از کاربرد علومپایه در حل چالشهای محیطزیستی مطرح میشود. او از MOFها برای حذف مواد PFAS از آب استفاده میکند، گروهی از مواد شیمیایی بسیار پایدار که به «مواد شیمیایی همیشگی» معروفاند.
ویژگی مهم MOFها این است که:
- مقدار کمی از آنها میتواند مقدار بسیار زیادی از ماده هدف را جذب کند.
- اندازه منافذ میتواند از کمتر از یک نانومتر تا چند نانومتر متغیر باشد.
PFASو MOFها؛ نبردی در ابعاد نانو
اندازه منافذ برای حذف PFAS اهمیت حیاتی دارد، چون این مواد زنجیرههایی با طولهای متفاوت دارند:
- بعضی فقط دو اتم کربن دارند،
- بعضی دیگر ۸ یا حتی ۱۰ اتم کربن.
ژانگ در حال طراحی MOFهایی است که وقتی منافذشان پر میشود، فلورسانس (تابش نوری) نشان میدهند. این یعنی کاربر دقیقاً میفهمد چه زمانی باید MOF را تعویض کند؛ درست مثل چراغ نشانگر روی فیلترهای آب خانگی.
چشمانداز پژوهش و کاربرد MOFها
اگرچه مقاله به کاربردهای فعلی اشاره میکند، اما آینده MOFها حتی گستردهتر است:
- تأمین آب آشامیدنی از هوای خشک در مناطق بیابانی
- کاهش گازهای گلخانهای با جذب انتخابی CO₂
- ذخیره ایمن هیدروژن برای انرژیهای پاک
- دارورسانی هدفمند با حداقل عوارض جانبی
به همین دلیل، بسیاری از دانشمندان MOFها را یکی از امیدبخشترین مواد قرن ۲۱ میدانند.
منبع: Scientific American