فاطمه داریوش مرنی
نوبل شیمی امسال به دانشمندانی اختصاص یافت که یک فناوری جادویی را در علم مواد خلق کرده بودند.
به گزارش پایگاه خبری “صبح جامعه” به نقل از خبرگزاری فارس؛ روز گذشته جایزه نوبل شیمی به سه دانشمند داده شد: سوسومو کیتاگاوا، ریچارد رابسون و عمر یاغی، به خاطر توسعه و پیشبرد نوعی از مواد شیمیایی به نام چارچوبهای فلزی-آلی یا Metal-Organic Frameworks (به اختصار MOF).در این گزارش به بررسی این موضوع پرداختهایم که این دستاورد دقیقا چیست و چه کاربردی در زندگی بشر دارد.
معنای این دستاورد چیست؟
ساختار مولکولی ویژهای که این سه دانشمند خلق کردهاند مثل یک «اتاق مولکولی» برای مولکولها عمل میکند. ساختارهایی که میگویند مثل یک کیف جادوییاند: از بیرون کوچک به نظر میآیند ولی درونشان فضاهای داخلی زیادی دارند که مولکولها میتوانند وارد شوند، زندگی کنند، و بعد از مدتی خارج شوند. چرا این «اتاق مولکولی» مهم است؟ چون ما میتوانیم به کمک آن مولکولهای گاز، ذرات آلودگی، یا حتی آب را جذب کنیم یا جدا کنیم — کاری که در بسیاری از فناوریهای زیستمحیطی، انرژی و صنعتی بسیار حیاتی است.
به بیان ساده، این اختراع مثل ساخت یک خانه هوشمند برای مولکولها است که میتوانیم تعیین کنیم چه کسی وارد شود، چه کسی بیرون برود، و چه فعالیتی داخل آن انجام شود — و این کنترل، در مقیاس اتمی و مولکولی، امکانات تازهای برای علم و فناوری باز کرده است.
کاربردهای MOFها گستره شگفتانگیزی از زمینهها را پوشش میدهند: محیط زیست، انرژی پاک، آب شیرین، پزشکی پیشرفته و فناوری مواد.موارد زیر نمونههایی از کاربردهای عملی یا بالقوه چارچوبهای فلزی–آلی هستند که در پژوهشها آمده است:یکی از چالشهای بزرگ کنونی، کاهش انتشار دیاکسیدکربن است.
MOFها میتوانند این گاز را انتخابی جذب کنند و در شرایطی آن را آزاد کنند تا بتوان آن را ذخیره کرد یا به مواد مفید تبدیل کرد. تولید یا استخراج آب از هوا در مناطق خشک، کاربرد مهم بعدی است. برخی MOFها قادرند بخار آب موجود در هوای بسیار خشک را جذب و متراکم کنند به طوری که بتوانند آب قابل استفاده تولید کنند.
این ویژگی میتواند در مناطقی با کمبود آب کاربرد حیاتی داشته باشد. این ساهتار مهم در تصفیه آب و حذف آلایندهها نیز نقش کلیدی دارد. MOFها میتوانند مواد سمی، آلایندهها یا ذرات کوچک را از آب بگیرند. به عنوان مثال، جدا کردن ترکیبات «پِرفلوئور» (PFAS) — که برخی از آنها به «مواد شیمیایی همیشگی» معروف شدهاند — از آب یکی از زمینههایی است که اشاره شده است.
ذخیره گازهای سوختی یا گازهای مفید: MOFها امکان ذخیره هیدروژن، متان یا سایر گازهای مفید را با چگالی بالا فراهم میآورند، که میتواند در باتری، سوخت پاک یا مؤلفههای انرژی نو مهم باشد. کاتالیز و شتابدهی واکنشها:درون حفرههای MOF میتوان شرایط شیمیایی کنترلشده ایجاد کرد یا مولکولهای کاتالیزور را جایگذاری کرد تا واکنشهای شیمیایی سریعتر، مؤثرتر یا با انتخابپذیری بهتر انجام شوند.
حفظ مواد، دارورسانی و کاربردهای پیشرفته: برخی MOFها میتوانند مولکولهای دارویی را درون ساختار خود جا دهند و آنها را در زمان یا مکان خاصی آزاد کنند. برخی MOFها قادرند گازهای سمی را ذخیره کنند یا محیطی ایمن فراهم کنند. برخی بررسیها حتی برای حفظ میوهها، کند کردن روند رسیدن، یا مدیریت گاز اتیلن اطراف میوه اشاره کردهاند.
با این سه دانشمند بیشتر آشنا شوید
سه دانشمندی که امروز نوبل شیمی ۲۰۲۵ را به خود اختصاص دادند، در حوزهٔ مواد مولکولی سازهای پیشگام بودهاند:ریچارد رابسون (Richard Robson)او از اولین کسانی بود که ایده ایجاد ساختارهای شبکهای مولکولی با گرههای فلزی و پیوندهای آلی را مطرح کرد. سال ۱۹۸۹ او ترکیبی از یونهای مس و لیگاندی چهار بازو را طراحی کرد که در ساختار بلوری جادار تشکیل شد. گرچه آن ساختار اولیه پایدار نبود، اما ایدهٔ پایه برای توسعه چارچوبهای متخلخل را شکل داد.
سوسومو کیتاگاوا (Susumu Kitagawa)کیتاگاوا بر تثبیت ساختارها و نشان دادن اینکه گازها میتوانند بهطور کنترلشده وارد و خارج شوند تمرکز کرد. او اثبات کرد که میتوان MOFهایی ساخت که انعطافپذیر باشند یا در شرایط متفاوت رفتار متفاوتی داشته باشند. عمر یاغی (Omar M. Yaghi)یاغی شخصیت برجستهای در زمینه “شیمی مشبک” (reticular chemistry) است: ایدهای که در آن مولکولهای ساختمانی مثل قطعات لگو به هم متصل میشوند تا ساختارهای بزرگ بسازند. او یکی از کسانی بود که چارچوبهایی پایدار، طراحیپذیر و متخلخل ساخت و تنوع بسیار زیادی در MOFها ایجاد کرد. رابسون اکنون ۸۸ ساله است، کیتاگاوا در ژاپن فعالیت دارد و یاغی استاد در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی است.
رابسون اولین گام را برداشت و ایده ساخت ساختارهای شبکهای مملو از فضاهای خالی را مطرح کرد. او تجربه خلق ترکیب Cu + لیگاند چهار بازویی را داشت. سپس کیتاگاوا نشان داد که گازها میتوانند داخل این ساختارها وارد شوند و خارج شوند، و اینکه ساختارها میتوانند به گونهای ساخته شوند که انعطافپذیری یا تغییر شکل داشته باشند.
یاغی، با بینش شیمی مشبک، ساختارهایی طراحی کرد که هم پایدار باشند و هم بتوان آنها را طبق طراحی تنظیم کرد. او مفاهیمی مانند “واحدهای ساختمانی ثانویه” (secondary building units, SBUs) را وارد کرد تا ساختارهای پیچیدهتر و پایدارتر بسازد. پس از این گامها، دانشمندان جهان هزاران نوع MOF مختلف ساختند و در آزمایشگاهها آنها را برای کاربردهای متفاوت آزمودند.
*انتهای خبر
خبرنگار : محمد امینی 
