Przez tysiące lat cywilizacje ludzkie definiowały swoje epoki na podstawie dominujących materiałów swoich czasów: kamienia, brązu, krzemu. Obecnie laureat Nagrody Nobla Omar Yaghi twierdzi, że nadchodzi nowa era, napędzana rewolucyjną klasą materiałów znanych jako szkielety metaloorganiczne (MOF) i kowalencyjne szkielety organiczne (COF). Te struktury krystaliczne, opracowane w latach 90. XX wieku, mają niezrównaną porowatość, co zasadniczo tworzy materiały, których objętość wewnętrzna znacznie przekracza ich rozmiar zewnętrzny. Odkrycie to, nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 2025 r., może przekształcić gałęzie przemysłu z pozyskiwania wody na wychwytywanie dwutlenku węgla.
Przełom: wykorzystanie inżynierii molekularnej
Praca Yagi skupia się na „chemii siatkowej” – precyzyjnej konstrukcji materiałów na poziomie molekularnym. W przeciwieństwie do tradycyjnej syntezy materiałów, która często skutkuje nieuporządkowanymi strukturami, chemia siatkowa dąży do uzyskania doskonałych, powtarzalnych form krystalicznych. Zadanie było ogromne; Sama natura sprzyja nieporządkowi, przez co tworzenie stabilnych, uporządkowanych materiałów na dużą skalę jest prawie niemożliwe.
Jednak w 1999 roku zespół Yagi zsyntetyzował MOF-5, materiał na bazie cynku o niespotykanej dotąd powierzchni – kilka gramów odpowiadających przestrzeni wewnętrznej boiska piłkarskiego. Ten przełom uwolnił potencjał MOF i COF: materiałów, które mogą selektywnie wychwytywać gazy, wydobywać wodę z suchego powietrza i rewolucjonizować procesy chemiczne.
Od ciekawości intelektualnej po wpływ społeczny
Początkowo napędzane wyzwaniem czysto intelektualnym — chęcią budowania materiałów cząsteczka po cząsteczce — badania Yagi szybko ewoluowały w kierunku rozwiązywania problemów świata rzeczywistego. Kluczem do stabilności jest uważna kontrola warunków syntezy, która pozwala na tworzenie uporządkowanych struktur. Kiedy już to osiągnięto, niezwykła porowatość MOF i COF otworzyła drzwi do zastosowań, które wcześniej uważano za nieosiągalne.
„Kiedy wiesz, jak porowate są te materiały, od razu myślisz o wychwytywaniu gazów” – wyjaśnia Yagi. „Materiały te obejmują przedziały przestrzeni, w których może znajdować się cząsteczka wody lub dwutlenku węgla”. Ta podstawowa właściwość jest obecnie wykorzystywana w technologiach służących do pozyskiwania wody z pustynnego powietrza (nawet przy wilgotności poniżej 20%) i wychwytywania dwutlenku węgla bezpośrednio z atmosfery.
Skalowanie w górę: od laboratorium do przemysłu
Firma Yagi, Atoco (założona w 2020 roku), promuje komercjalizację tych materiałów. Najnowsze osiągnięcia obejmują COF-999, wysoce wydajny materiał wychwytujący dwutlenek węgla, który był testowany w ciągu 100 cykli w Berkeley, oraz urządzenia zdolne do ekstrakcji tysięcy litrów wody dziennie.
Długoterminowa wizja wykracza poza obecne zastosowania:
- Zrównoważona produkcja: MOF i COF można rozłożyć w wodzie bez uwalniania szkodliwych pozostałości, co rozwiązuje potencjalne problemy związane z odpadami.
- Energooszczędność: Wykorzystanie ciepła odpadowego i światła słonecznego z otoczenia do cykli przechwytywania/uwalniania energii zmniejsza zużycie energii.
- Projekt oparty na sztucznej inteligencji: Sztuczna inteligencja przyspiesza optymalizację właściwości MOF i COF, skracając cykle rozwojowe.
Przyszłość materiałów: heterogeniczność i kataliza
Podczas gdy obecne badania skupiają się na optymalizacji istniejących materiałów, laboratorium Yagi bada „materiały wielowymiarowe” — struktury o celowo nierównym środowisku wewnętrznym. Łącząc uporządkowane szkielety z heterogenicznymi „wnętrznościami”, materiały te mogą osiągnąć niespotykaną dotąd selektywność i skuteczność w absorpcji gazów i reakcjach chemicznych.
Co więcej, MOF i COF mają potencjał katalityczny, potencjalnie odtwarzając skuteczność enzymów w przemysłowej syntezie chemicznej. Może to prowadzić do szybszej i bardziej zrównoważonej produkcji farmaceutyków i innych niezbędnych związków.
„Przeżywamy rewolucję” – mówi Yagi. „Możemy opracowywać materiały jak nigdy dotąd i łączyć je z aplikacjami jak nigdy dotąd”.
Gwałtowny wzrost liczby patentów związanych z MOF i COF sugeruje, że rewolucja ta już trwa. W miarę jak badania naukowe łączą się z inżynierią i sztuczną inteligencją, chemia siatkowa ma szansę zdefiniować nową erę w materiałoznawstwie — erę, w której materiały są nie tylko montowane, ale precyzyjnie konstruowane z myślą o zrównoważonej i wydajnej przyszłości.
