Seit Jahrtausenden definieren menschliche Zivilisationen ihr Alter durch die vorherrschenden Materialien ihrer Zeit: Stein, Bronze, Silizium. Jetzt argumentiert Nobelpreisträger Omar Yaghi, dass ein neues Zeitalter anbricht, das von einer revolutionären Klasse von Materialien angetrieben wird, die als metallorganische Gerüste (MOFs) und kovalente organische Gerüste (COFs) bekannt sind. Diese in den 1990er Jahren erstmals entwickelten kristallinen Strukturen verfügen über eine beispiellose Porosität – wodurch effektiv Materialien entstehen, bei denen das Innenvolumen ihre Außengröße bei weitem übersteigt. Diese mit dem Nobelpreis für Chemie 2025 gewürdigte Entdeckung wird die Industrie von der Wassergewinnung zur Kohlenstoffabscheidung umgestalten.
Der Durchbruch: Die molekulare Konstruktion nutzen
Yaghis Arbeit konzentriert sich auf die „retikuläre Chemie“, den präzisen Zusammenbau von Materialien auf molekularer Ebene. Im Gegensatz zur herkömmlichen Materialsynthese, die häufig zu ungeordneten Strukturen führt, strebt die retikuläre Chemie nach perfekten, sich wiederholenden kristallinen Formen. Die Herausforderung war immens; Die Natur selbst begünstigt Unordnung, was die Schaffung stabiler, geordneter Materialien im großen Maßstab unmöglich erscheinen lässt.
Doch 1999 synthetisierte Yaghis Team MOF-5, ein zinkbasiertes Material mit einer beispiellosen Oberfläche – ein paar Gramm, was dem Innenraum eines Fußballfeldes entspricht. Dieser Durchbruch offenbarte das Potenzial von MOFs und COFs: Materialien, die selektiv Gase einfangen, Wasser aus trockener Luft extrahieren und chemische Prozesse revolutionieren können.
Von der intellektuellen Neugier zur gesellschaftlichen Wirkung
Ursprünglich von einer rein intellektuellen Herausforderung angetrieben – dem Wunsch, Materialien Molekül für Molekül aufzubauen – entwickelte sich Yaghis Forschung schnell dahingehend, sich mit Problemen der realen Welt zu befassen. Der Schlüssel zur Stabilität liegt in der sorgfältigen Kontrolle der Syntheseumgebung, die die Bildung geordneter Strukturen ermöglicht. Einmal beherrscht, öffnete die außergewöhnliche Porosität von MOFs und COFs Türen für Anwendungen, die zuvor als unerreichbar galten.
„Wenn man weiß, wie viel Porosität diese Materialien haben, denkt man sofort an das Einfangen von Gasen“, erklärt Yaghi. „Diese Materialien umfassen Raumkompartimente, in denen ein Molekül Wasser oder Kohlendioxid … sitzen kann.“ Diese grundlegende Eigenschaft wird nun in Technologien genutzt, die darauf abzielen, Wasser aus der Wüstenluft zu extrahieren (selbst bei einer Luftfeuchtigkeit unter 20 %) und Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre einzufangen.
Skalierung: Vom Labor in die Industrie
Yaghis Unternehmen Atoco (gegründet 2020) treibt die Kommerzialisierung dieser Materialien voran. Zu den jüngsten Fortschritten gehören COF-999, ein hocheffizientes Kohlenstoffabscheidungsmaterial, das in Berkeley in über 100 Zyklen getestet wurde, und Geräte, die Tausende Liter Wasser pro Tag gewinnen können.
Die langfristige Vision geht über aktuelle Anwendungen hinaus:
- Nachhaltige Produktion: MOFs und COFs können in Wasser zerlegt werden, ohne dass schädliche Rückstände freigesetzt werden, wodurch potenzielle Abfallprobleme beseitigt werden.
- Energieeffizienz: Durch die Nutzung von Abwärme und Umgebungssonnenlicht zur Stromversorgung von Erfassungs-/Freisetzungszyklen wird der Energieverbrauch gesenkt.
- KI-gesteuertes Design: Künstliche Intelligenz beschleunigt die Optimierung von MOF- und COF-Eigenschaften und verkürzt die Entwicklungszyklen.
Die Zukunft der Materialien: Heterogenität und Katalyse
Während sich die aktuelle Forschung auf die Optimierung bestehender Materialien konzentriert, erforscht Yaghis Labor „multivariate Materialien“ – Strukturen mit absichtlich ungleichmäßigen Innenumgebungen. Durch die Kombination geordneter Skelette mit heterogenen „Eingeweiden“ könnten diese Materialien eine beispiellose Selektivität und Effizienz bei der Gasabsorption und chemischen Reaktionen erreichen.
Darüber hinaus sind MOFs und COFs vielversprechend für die Katalyse, da sie möglicherweise die Effizienz von Enzymen für die industrielle chemische Synthese nachahmen. Dies könnte zu einer schnelleren und nachhaltigeren Produktion von Arzneimitteln und anderen lebenswichtigen Verbindungen führen.
„Wir erleben eine Revolution“, behauptet Yaghi. „Wir können Materialien entwerfen, wie wir es noch nie zuvor getan haben, und sie mit Verwendungszwecken verbinden, wie wir es noch nie zuvor getan haben.“
Das exponentielle Wachstum der Patente im Zusammenhang mit MOFs und COFs lässt darauf schließen, dass diese Revolution bereits im Gange ist. Während die Forschung mit Ingenieurwesen und künstlicher Intelligenz zusammenwächst, ist die retikuläre Chemie bereit, ein neues Zeitalter in der Materialwissenschaft zu definieren – ein Zeitalter, in dem Materialien nicht nur zusammengesetzt, sondern präzise für eine nachhaltige, effiziente Zukunft entworfen werden.
