Po tisíce let definovaly lidské civilizace své éry dominantními materiály své doby: kamenem, bronzem, křemíkem. Nositel Nobelovy ceny Omar Yaghi nyní tvrdí, že nastává nová éra, poháněná revoluční třídou materiálů známých jako metal-organic frameworks (MOF) a kovalentní organické konstrukce (COFs). Tyto krystalické struktury, vyvinuté v 90. letech 20. století, mají bezkonkurenční pórovitost – v podstatě vytvářejí materiály, jejichž vnitřní objem značně převyšuje jejich vnější velikost. Tento objev, oceněný Nobelovou cenou za chemii v roce 2025, je připraven transformovat průmyslová odvětví od sběru vody k zachycování uhlíku.
Průlom: Použití molekulárního inženýrství
Yagiho práce se zaměřuje na „retikulární chemii“ – přesnou konstrukci materiálů na molekulární úrovni. Na rozdíl od tradiční syntézy materiálů, která často vede k neuspořádaným strukturám, retikulární chemie usiluje o dokonalé, opakující se krystalické formy. Úkol byl obrovský; Příroda sama upřednostňuje nepořádek, takže vytvoření stabilních, uspořádaných materiálů v měřítku je téměř nemožné.
V roce 1999 však Yagiho tým syntetizoval MOF-5, materiál na bázi zinku s nebývalou plochou povrchu – několik gramů ekvivalentních vnitřnímu prostoru fotbalového hřiště. Tento průlom odemkl potenciál MOF a COF: materiály, které mohou selektivně zachycovat plyny, extrahovat vodu ze suchého vzduchu a způsobit revoluci v chemických procesech.
Od intelektuální zvědavosti k sociálnímu dopadu
Zpočátku poháněný čistě intelektuální výzvou – touhou budovat materiály molekulu po molekule – se Yagiho výzkum rychle vyvinul směrem k řešení problémů reálného světa. Klíč ke stabilitě spočívá v pečlivé kontrole podmínek syntézy, což umožňuje tvorbu uspořádaných struktur. Jakmile bylo toto zvládnuto, mimořádná pórovitost MOF a COF otevřela dveře aplikacím, které byly dříve považovány za nedosažitelné.
„Když víte, jak jsou tyto materiály porézní, okamžitě vás napadne zachycovat plyny,“ vysvětluje Yagi. “Tyto materiály pokrývají části vesmíru, kde by mohla sídlit molekula vody nebo oxidu uhličitého.” Tato základní vlastnost se nyní využívá v technologiích určených k extrakci vody z pouštního vzduchu (i při vlhkosti pod 20 %) a zachycování oxidu uhličitého přímo z atmosféry.
Rozšíření: Z laboratoře do průmyslu
Yagiho společnost Atoco (založená v roce 2020) podporuje komercializaci těchto materiálů. Mezi nedávné pokroky patří COF-999, vysoce účinný materiál pro zachycování uhlíku, který byl testován více než 100 cykly v Berkeley, a zařízení schopná extrahovat tisíce litrů vody denně.
Dlouhodobá vize přesahuje současné aplikace:
- Udržitelná výroba: MOF a COF lze rozložit ve vodě, aniž by uvolňovaly škodlivé zbytky, což řeší potenciální problémy s odpadem.
- Energeticky účinné: Použití odpadního tepla a okolního slunečního světla k napájení cyklů zachycení/uvolnění snižuje spotřebu energie.
- Design řízený AI: Umělá inteligence urychluje optimalizaci vlastností MOF a COF a zkracuje vývojové cykly.
Budoucnost materiálů: Heterogenita a katalýza
Zatímco současný výzkum se zaměřuje na optimalizaci existujících materiálů, Yagiho laboratoř studuje „multivariační materiály“ – struktury se záměrně nerovným vnitřním prostředím. Kombinací uspořádaných skeletů s heterogenními „vnitřnostmi“ mohou tyto materiály dosáhnout nebývalé selektivity a účinnosti při absorpci plynů a chemických reakcích.
Navíc MOF a COF mají potenciál v katalýze, potenciálně replikují účinnost enzymů pro průmyslovou chemickou syntézu. To by mohlo vést k rychlejší a udržitelnější výrobě léčiv a dalších životně důležitých sloučenin.
„Zažíváme revoluci,“ říká Yagi. “Můžeme vyvíjet materiály jako nikdy předtím a propojovat je s aplikacemi jako nikdy předtím.”
Exponenciální nárůst patentů souvisejících s MOF a COF naznačuje, že tato revoluce již probíhá. Jak se výzkum sbližuje s inženýrstvím a umělou inteligencí, retikulární chemie je připravena definovat novou éru ve vědě o materiálech – éru, ve které se materiály nejen sestavují, ale přesně konstruují pro udržitelnou a efektivní budoucnost.
