Duizenden jaren lang hebben menselijke beschavingen hun leeftijd gedefinieerd aan de hand van de dominante materialen van hun tijd: steen, brons, silicium. Nu stelt Nobelprijswinnaar Omar Yaghi dat er een nieuw tijdperk aanbreekt, aangedreven door een revolutionaire klasse materialen die bekend staat als metaal-organische raamwerken (MOF’s) en covalente organische raamwerken (COF’s). Deze kristallijne structuren, ontwikkeld in de jaren negentig, bezitten een ongeëvenaarde porositeit, waardoor effectief materialen ontstaan waarvan het interne volume de externe omvang ruimschoots overtreft. Deze ontdekking, erkend met de Nobelprijs voor de Scheikunde van 2025, staat klaar om industrieën te hervormen, van waterwinning tot koolstofafvang.
De doorbraak: het benutten van moleculaire constructie
Yaghi’s werk concentreert zich op ‘reticulaire chemie’, de precieze samenstelling van materialen op moleculair niveau. In tegenstelling tot de traditionele materiaalsynthese, die vaak resulteert in wanordelijke structuren, streeft reticulaire chemie naar perfecte, zich herhalende kristallijne vormen. De uitdaging was enorm; de natuur zelf is voorstander van wanorde, waardoor het creëren van stabiele, geordende materialen op schaal onmogelijk lijkt.
In 1999 synthetiseerde Yaghi’s team echter MOF-5, een materiaal op zinkbasis met een ongekend oppervlak – een paar gram equivalent aan de interne ruimte van een voetbalveld. Deze doorbraak onthulde het potentieel van MOF’s en COF’s: materialen die in staat zijn om selectief gassen op te vangen, water uit droge lucht te halen en een revolutie teweeg te brengen in chemische processen.
Van intellectuele nieuwsgierigheid naar maatschappelijke impact
Aanvankelijk gedreven door een puur intellectuele uitdaging – de wens om materialen molecuul voor molecuul te construeren – evolueerde Yaghi’s onderzoek al snel naar het aanpakken van problemen uit de echte wereld. De sleutel tot stabiliteit ligt in het zorgvuldig controleren van de syntheseomgeving, waardoor de vorming van geordende structuren mogelijk wordt gemaakt. Eenmaal onder de knie, opende de buitengewone porositeit van MOF’s en COF’s deuren naar toepassingen die voorheen als onhaalbaar werden beschouwd.
“Als je weet hoeveel porositeit deze materialen hebben, denk je meteen aan het opvangen van gassen”, legt Yaghi uit. “Deze materialen omvatten compartimenten van de ruimte waar een molecuul water of koolstofdioxide … kan zitten.” Deze fundamentele eigenschap wordt nu benut in technologieën die zijn ontworpen om water uit de woestijnlucht te halen (zelfs bij een luchtvochtigheid van minder dan 20%) en om kooldioxide rechtstreeks uit de atmosfeer op te vangen.
Opschaling: van laboratorium naar industrie
Yaghi’s bedrijf, Atoco (opgericht in 2020), stimuleert de commercialisering van deze materialen. Recente ontwikkelingen zijn onder meer COF-999, een zeer efficiënt materiaal voor het opvangen van koolstof dat in Berkeley gedurende meer dan 100 cycli is getest, en apparaten die duizenden liters water per dag kunnen oogsten.
De langetermijnvisie reikt verder dan de huidige toepassingen:
- Duurzame productie: MOF’s en COF’s kunnen in water worden gedemonteerd zonder dat er schadelijke resten vrijkomen, waardoor potentiële afvalproblemen worden aangepakt.
- Energie-efficiëntie: Door restwarmte en omgevingszonlicht te gebruiken voor het opvangen/vrijgeven van energie, wordt het energieverbruik verminderd.
- AI-aangedreven ontwerp: Kunstmatige intelligentie versnelt de optimalisatie van MOF- en COF-eigenschappen, waardoor ontwikkelingscycli worden verkort.
De toekomst van materialen: heterogeniteit en katalyse
Terwijl het huidige onderzoek zich richt op het optimaliseren van bestaande materialen, onderzoekt Yaghi’s laboratorium ‘multivariate materialen’: structuren met opzettelijk ongelijke interne omgevingen. Door geordende skeletten te combineren met heterogene ‘ingewanden’, zouden deze materialen een ongekende selectiviteit en efficiëntie kunnen bereiken in gasabsorptie en chemische reacties.
Bovendien zijn MOF’s en COF’s veelbelovend op het gebied van katalyse, waarbij ze mogelijk de efficiëntie van enzymen voor industriële chemische synthese repliceren. Dit zou kunnen leiden tot een snellere, duurzamere productie van geneesmiddelen en andere essentiële verbindingen.
“We maken een revolutie door”, beweert Yaghi. “We kunnen materialen ontwerpen zoals we nog nooit eerder hebben gedaan, en ze verbinden met toepassingen zoals we nog nooit eerder hebben gedaan.”
De exponentiële groei van patenten met betrekking tot MOF’s en COF’s suggereert dat deze revolutie al aan de gang is. Terwijl onderzoek samenkomt met techniek en kunstmatige intelligentie, staat de reticulaire chemie klaar om een nieuw tijdperk in de materiaalkunde te definiëren – een tijdperk waarin materialen niet alleen worden geassembleerd, maar nauwkeurig worden ontworpen voor een duurzame, efficiënte toekomst.
