Научные поры: Нобелевскую премию по химии дали за «молекулярное лего»
Нобелевскую премию по химии за 2025 год дали за создание металл-органических каркасов. Трое лауреатов внесли решающий вклад в разработку «молекулярного конструктора», он позволяет получать материал, содержащий пустоты для хранения газа или других веществ. По словам российских ученых, технология имеет огромное число практических применений, так как на ее основе можно получать бесконечное число различных структур. В том числе материалы для очистки воздуха, получения воды в пустыни, управления химическими реакциями, производства и адресной доставки лекарств, создания батарей для водородной энергетики, вычислительных устройств и новых методов хранения данных.
Кристаллы с пустотами
Нобелевскую премию по химии за 2025 год присудили японцу Сусуму Китагаве, англичанину Ричарду Робсону и иорданцу Омару М. Яги за создание металл-органических каркасов (МОК) — нового класса пористых полимерных материалов. В их молекулах содержатся пустоты, в которые могут проникать газы и другие вещества. Это свойство позволяет решать множество важных прикладных задач. Об этом 8 октября в Стокгольме объявил Нобелевский комитет.
«Металл-органические каркасы можно использовать для производства воды из воздуха в пустыни, улавливания углекислого газа, хранения токсичных газов или катализа химических реакций. Их создание открывает перед химиками новые возможности для преодоления некоторых вызовов, с которыми мы столкнулись», — говорится в официальном сообщении организаторов премии.
Профессор Омар Яги
Первым исследования в этом направлении начал Ричард Робсон в 1989 году. Он экспериментировал со свойствами атомов и соединил положительно заряженные ионы меди с четырехлучевой молекулой. У нее особая структура, в которой центральный атом связан с четырьмя другими, образующими тетраэдр. Так ученый получил пористый кристалл, подобный алмазу. Позднее, в период с 1992 по 2003 год, Сусуму Китагава и Омар Яги в ходе независимых исследований развили эту методику молекулярного строительства.
МОК построены по принципу «молекулярного конструктора». Внутри их кристаллических решеток остаются пустоты, напоминающие невидимые «комнаты», куда могут проникать и свободно перемещаться молекулы газа или жидкости, пояснил «Известиям» заведующий лабораторией Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, председатель экспертного совета РНФ и член научного комитета Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Валентин Анаников.
Профессор Сусуму Китагава
— Значимость работ лауреатов в том, что они открыли принципиально новую архитектуру вещества — материалы, которые можно создавать «под заказ», подбирая свойства под конкретные нужды. Это открывает почти безграничные перспективы для науки и технологий XXI века — от энергетики и экологии до медицины и промышленности, — сказал он.
Помимо уже названых задач, металл-органические каркасы можно использовать в качестве катализаторов для производства полимеров и фармацевтических веществ, для создания металлов сверхвысокой чистоты, присадок к смазочным маслам, а также в получении материалов с потенциалом применения в фотокатализе, и электронике, рассказал «Известиям» заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Данила Саранин.
Производство лекарств и вычислительные устройства
Структуры, за создание которых присуждена премия, занимают промежуточное положение между органическими соединениями и металлами: в них атом металла соединен с органическими молекулами, и всё это переплетается в единый каркас, уточнила заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ София Морозова.
— Благодаря контролируемому размеру пор их можно применять для ускорения химических реакций. То есть они могут быть аналогами ферментов (биологические катализаторы. — Ред.), но при этом обладают гораздо более простой структурой. С их помощью можно, например, превращать CO₂ в другие молекулы необходимых нам фармацевтических субстанции, — сказала она.
Профессор Ричард Робсон
Открытие МОК изменило саму философию создания функциональных веществ с большим фокусом на зеленую химию и оказало огромное влияние на смежные области. Эти идеи дошли и до передовых лабораторий в России, где их интегрируют в исследования на стыке химии, фотоники и информационных технологий, рассказала директор Мегафакультета наук о жизни и НОЦ инфохимии Университета ИТМО Екатерина Скорб.
— Лауреаты доказали, что самые перспективные материалы можно создавать, проектируя не только их атомный состав, но и их пространственную архитектуру. Это подтверждают показатели: МОК бьют все рекорды по удельной площади поверхности: до 7000 м²/г — площадь футбольного поля в чайной ложке порошка. Это критически важно для адсорбции, — сказала она.
Вещества могут использоваться для сбора и хранения водорода и метана для экологичного транспорта на топливных элементах. В медицине с их помощью можно реализовать таргетную доставку лекарств в конкретные органы и ткани. В электронике — создать высокочувствительные датчики и новые типы проводников. Технологию уже используют в экспериментальных системах хранения газа для автомобилей, отметила специалист.
В России также развивается это направление. Например, ученые ИТМО используют методику в междисциплинарных исследованиях на стыке различных наук, в том числе для разработки альтернативных устройств по обработке информации.
В металл-органических каркасах есть поры нанометрового размера. Благодаря этому они могут работать как молекулярное сито: пропускать молекулы подходящего размера, но отсеивать слишком крупные соединения, рассказал профессор кафедры физики конденсированных сред НИЯУ МИФИ Константин Катин.
— После первых экспериментов, проведенных нобелевскими лауреатами, структура и устойчивость металл-органических каркасов постоянно совершенствовались. Сейчас они используются во многих областях, включая солнечные батареи, хранение водорода и очистку промышленных отходов, — сказал он.
«Молекулярное лего»
По словам доцента кафедры физической химии МФТИ Евгения Куликова, в природе существует много неорганических веществ с такой структурой — например, природные каркасные алюмосиликаты, цеолиты, которые давно используются как основа катализаторов, средство умягчения воды и молекулярные сита для сушки органических веществ.
— Однако разработки нобелиатов позволяют получить органические вещества с предсказуемыми объемом и структурой «комнаток» внутри кристаллов, что означает совершенно новые возможности для прикладной химии — от очистки воды и воздуха до новых подходов к катализу, от безопасного хранения водородного топлива до получения новых продуктов органического и неорганического синтеза, — сказал Евгений Куликов.
Профессор Омар Яги (в центре) в лаборатории
Российские ученые хорошо знакомы с работами нобелевского лауреата Омара Яги, посвященными созданию и описанию МОК, и они давно ожидали присуждения ему награды, рассказал руководитель проекта по гранту РНФ, доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ Михаил Солдатов.
— У МОК площадь поверхности может достигать тысяч квадратных метров на грамм. Такое бывает только у отдельных видов активированных углей и некоторых других типов веществ. Так как при их создании мы можем использовать самые разные компоненты, то мы получаем «молекулярное лего», из которых можно собирать бесконечное число структур, которые могут иметь бесконечное число применений. Это, вероятно, и повлияло на решение Нобелевского комитета, — отметил он.
В будущем эти вещества позволят создать новые катализаторы для целей водородной энергетики, например хранения водорода, или новые материалы для элементов памяти вычислительных устройств, добавил специалист.
Уже несколько лет назад было ясно, что металлоорганические каркасы — это новое направление в химии, которое привлечет большой интерес. Вся тройка, получившая Нобелевскую премию, несомненно достойна этой награды. Каждый из них сделал принципиально новые шаги в получении разнообразных металл-органических каркасов, отметил заведующий кафедрой электрохимии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, профессор Сколковского института науки и технологий, лауреат Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Евгений Антипов.
