Нобелевская премия по химии-25: металло-органические «клетки» для молекул
Список лауреатов Нобелевской премии по химии 2025 года объявили в полдень 8 октября 2025 года. Премия вручена «за разработку металло-органических структур». Здесь имеются в виду структуры на молекулярном уровне, содержащие внутри себя значительные «пустоты», по которым могут протекать газы и другие химические соединения. Лауреатами стали Сусуму Китагава (Susumu Kitagawa, университет Киото, Ричард Робсон (Richard Robson), университет Мельбурна и Омар Яги (Omar M. Yaghi) из Калифорнийского университета в Беркли.
Нобелевская премия этого года присвоена за создание новой формы молекулярной архитектуры. В этих молекулярных структурах, называемых металло-органическими каркасами (metal-organic frameworks или MOF), ионы металлов в «углах» соединяются при помощи длинных органических молекул. Металлические ионы и эти молекулы вместе образуют кристаллические структуры, содержащие большие пустоты. Получается пористый материал, только поры в нём имеют молекулярные размеры. Подбирая строительные блоки для структур MOF, можно добиться, чтобы материал улавливал конкретные молекулы из окружающей среды — например, так можно абсорбировать молекулы воды из воздуха, углекислый газ, другие опасные газы, а также катализировать химические реакции. Такие структуры под разные задачи сейчас производятся в лабораториях во всём мире. Сегодняшние лауреаты создали первый металло-органический молекулярный каркас с этими свойствами и продемонстрировали его потенциал для науки и промышленности.
В 1989 году один из лауреатов Ричард Робсон впервые создал «молекулярную структуру с пустотами», объединив положительные ионы меди со сложной органической молекулой, пространственная структура которой включала четыре «рукава». Кому интересно, вот её полное имя — 4′,4’″,4”’,4””- тетрацианотетрафенилметан. На конце каждого из рукавов располагалась нитрильная группа, которая могла присоединить ион меди. В результате образовался кристалл, содержащий внутри крупные пустоты. По структуре его можно в приближении сравнить с алмазом, только содержащим молекулярные поры, чего настоящий алмаз, конечно, лишён. Идею такой пространственной структуры Робсон и почерпнул из строения решётки алмаза, как видно на этой картинке из пресс-релиза Нобелевки. Говорят (а пресс-релиз это подтверждает), что более древним источником вдохновения была необходимость ещё в 1970-х годах во время преподавания в университете Мельбурна изготавливать из деревянных шаров и палок модели молекул, заказывая в мастерской университета сверление в шарах отверстий в тщательно отмеченных местах. Набор отверстий в шаре (места присоединения валентных связей) чётко определял структуру молекулярного каркаса. Если использовать в качестве угловых камней каркаса атомы с хорошо известной структурой валентных связей, те же ионы металлов, наверное, можно прицепить к ним не отдельные атомы, а целые молекулы подлиннее, и тогда можно играть с получившимися структурами, делая их под заказ более или менее «раздутыми»?
Робсон тогда же предложил несколько других молекулярных каркасов, пустоты в которых можно было использовать для захвата разных веществ. Потенциал новых структур казался значительным, только у них был один недостаток — полученные конструкции были чрезвычайно хрупкими и быстро разваливались. Заслуга двух других лауреатов как раз состоит в том, что они довели методику рационального дизайна соединений (разработку и конструирование этих молекулярных кристаллов с наперёд заданными свойствами и структурой их «пустот») до приемлемой устойчивости и применимости на практическом уровне.
Так, Китагава добился успеха в создании MOF-структур со сквозными каналами. Такие структуры могли абсорбировать и выделять газы, в частности, метан, азот и кислород без изменения формы. Также ему удалось создать гибкие структуры, которые могут менять форму при заполнении разными веществами. В этом заключался технологический прорыв, который вместе с другими факторами привёл к популярности MOF. Читатель, знакомый с химией или геологией, может припомнить, что в природе существуют минералы с похожими свойствами, которые могут абсорбировать вещества, например, вредные газы — это цеолиты с микропорами — как раз то, что химики пытались эмулировать при помощи рационального дизайна. Но цеолиты — жёсткие структуры, а тут речь шла о создании гибких материалов, что в итоге убедило начальство университетов и грантодателей, что новые игрушки — не просто попытка вырастить в лаборатории неудачную замену цеолитов, а направление перспективно и для промышленного применения.
А третий лауреат, Омар Яги, добился успеха в создании очень устойчивых структур MOF и показал, что их можно видоизменять, создавая кристаллы с желаемыми свойствами. Созданная его группой в 1999 году структура под названием MOF-5 стала классикой отрасли. Этот каркасный кристалл был устойчив, а внутреннее пространство для захвата посторонних веществ огромно. Его даже с пустыми порами можно было нагреть до 300ºC без разрушения. В 2002-2003 году они в числе прочего показали, что можно создать несколько модификаций одного и того же вещества, то есть MOF-5, делая в нём пустоты «под заказ» — больше или меньше по сравнению с оригинальным материалом. И наконец, Яги в числе прочего продемонстрировал хит сезона — его исследовательская группа смогла при помощи этих материалов добыть воду из засушливого воздуха аризонской пустыни. Речь идёт об абсорбировании водных паров из воздуха, которые содержатся в микроскопических количествах даже в пустынном климате.
В начале XXI века создано большое количество разнообразных металло-органических каркасных структур, или MOF. Применение большинства из этих материалов пока не удалось масштабировать за пределы лабораторий. Множество компаний тем не менее инвестируют в массовое производство и коммерциализацию каркасных кристаллов. Из успехов на этом направлении — использование в электронной промышленности для производства полупроводников (как «контейнеры» для некоторых вредных газов, необходимых для производства). Некоторые MOF можно использовать для разложения ядовитых газов. Также испытываются материалы, которые могли бы поглощать выбросы углекислого газа, тем самым уменьшая промышленный парниковый эффект. Возможно, MOF-структуры станут «технологическим скачком XXI века» — при условии, что их масштабированию до промышленного применения не помешает какой-нибудь ещё неизвестный, но фундаментальный принцип природы (привет «управляемому термояду» как одному из таких обещанных «скачков XX века», плавно перетекшему в век XXI примерно на той же стадии, что и в середине прошлого века).