Протягом тисячоліть людські цивілізації визначали свої епохи за домінуючими матеріалами свого часу: каменем, бронзою, кремнієм. Тепер Нобелівський лауреат Омар Ягі стверджує, що настає нова ера, яку рухає революційний клас матеріалів, відомих як металоорганічні каркаси (MOF) і ковалентні органічні каркаси (COF). Ці кристалічні структури, розроблені в 1990-х роках, мають неперевершену пористість, по суті створюючи матеріали, внутрішній об’єм яких значно перевищує їхній зовнішній розмір. Це відкриття, яке було присуджено Нобелівською премією з хімії у 2025 році, готове змінити промисловість від збирання води до уловлювання вуглецю.
Прорив: використання молекулярної інженерії
Робота Ягі зосереджена на «ретикулярній хімії» — точному створенні матеріалів на молекулярному рівні. На відміну від традиційного синтезу матеріалів, який часто призводить до невпорядкованих структур, ретикулярна хімія прагне до ідеальних, повторюваних кристалічних форм. Завдання було величезним; Сама природа сприяє безладу, що робить створення стабільних, упорядкованих матеріалів у масштабі майже неможливим.
Однак у 1999 році команда Ягі синтезувала MOF-5, матеріал на основі цинку з безпрецедентною площею поверхні — кілька грамів еквівалентно внутрішньому простору футбольного поля. Цей прорив розкрив потенціал MOF і COF: матеріалів, які можуть вибірково вловлювати гази, витягувати воду із сухого повітря та революціонізувати хімічні процеси.
Від інтелектуальної цікавості до соціального впливу
Спочатку спонукувані суто інтелектуальним викликом — бажанням створювати матеріали молекула за молекулою — дослідження Ягі швидко переросли в бік вирішення проблем реального світу. Ключ до стабільності полягає в ретельному контролі умов синтезу, що дозволяє формувати впорядковані структури. Як тільки це було освоєно, надзвичайна пористість MOF і COF відкрила двері для застосувань, які раніше вважалися недосяжними.
«Коли ви знаєте, наскільки пористі ці матеріали, ви відразу думаєте про уловлювання газів», — пояснює Ягі. «Ці матеріали охоплюють відсіки простору, де може перебувати молекула води або вуглекислого газу». Ця фундаментальна властивість зараз використовується в технологіях, призначених для вилучення води з пустельного повітря (навіть з вологістю нижче 20%) і захоплення вуглекислого газу безпосередньо з атмосфери.
Розширення: від лабораторії до промисловості
Компанія Ягі, Atoco (заснована в 2020 році), сприяє комерціалізації цих матеріалів. Останні досягнення включають COF-999, високоефективний матеріал для уловлювання вуглецю, який був протестований протягом 100 циклів у Берклі, і пристрої, здатні витягувати тисячі літрів води на день.
Довгострокове бачення виходить за рамки поточних застосувань:
- Стале виробництво: MOF і COF можна розщеплювати у воді без виділення шкідливих залишків, що вирішує потенційні проблеми з відходами.
- Енергоефективність: використання відпрацьованого тепла та сонячного світла для живлення циклів захоплення/вивільнення зменшує споживання енергії.
- Дизайн, керований штучним інтелектом: Штучний інтелект прискорює оптимізацію властивостей MOF і COF, скорочуючи цикли розробки.
Майбутнє матеріалів: гетерогенність і каталіз
Хоча поточні дослідження зосереджені на оптимізації існуючих матеріалів, лабораторія Ягі вивчає «багатоваріантні матеріали» — структури з навмисно нерівномірним внутрішнім середовищем. Поєднуючи впорядковані скелети з неоднорідними «нутрощами», ці матеріали можуть досягти безпрецедентної селективності та ефективності в поглинанні газів і хімічних реакціях.
Крім того, MOF і COF мають потенціал для каталізу, потенційно відтворюючи ефективність ферментів для промислового хімічного синтезу. Це може призвести до швидшого, більш стійкого виробництва фармацевтичних препаратів та інших життєво важливих сполук.
«Ми переживаємо революцію», — каже Ягі. «Ми можемо розробляти матеріали, як ніколи раніше, і підключати їх до програм, як ніколи раніше».
Експоненціальне зростання кількості патентів, пов’язаних з MOF і COF, свідчить про те, що ця революція вже триває. Оскільки дослідження зближуються з інженерією та штучним інтелектом, ретикулярна хімія готова визначити нову еру в матеріалознавстві — еру, в якій матеріали не тільки збираються, але й точно конструюються для сталого та ефективного майбутнього.
