Футбольное поле в чайной ложке: как новый класс материалов принес Нобелевскую премию

Нобелевской премии по химии удостоены Сусуму Китагава из Японии, Ричард Робсон, родившийся в Великобритании и работающий в Австралии, а также Омар М. Яги, родившийся в Иордании и работающий в США. Каждый из них получит треть призовой суммы «за разработку металл-органических каркасных структур». Это класс пористых материалов, способных избирательно впитывать разнообразные жидкости и газы. Их отличительная особенность — огромная площадь пор на грамм материала. Перспективы их применения огромны: очистка воздуха и воды, адресная доставка лекарств, создание новой электроники и многое другое.

Первые шаги

Материалы, о которых идет речь, по-английски называются metal–organic frameworks (MOF), что можно перевести как «металл-органические каркасы». По-русски их принято называть металл-органическими каркасными структурами, но сокращать как МОК, а не МОКС.

Первую такую структуру получил Робсон в 1989 году. Он соединил ионы меди с органическими молекулами. Получилось нечто вроде кристаллической решетки, напоминающей по форме решетку алмаза, но с огромными полостями. Тем самым химик открыл новый подход к созданию материалов. В современных МОК ионы или небольшие группы атомов металла тоже соединены длинными органическими молекулами. Год спустя Робсон представил еще несколько материалов. Однако полученные им соединения оказались нестабильными, а потому непрактичными. Многие химики считали это направление тупиковым. Их мнение изменилось благодаря работам двух других лауреатов, сделанным независимо друг от друга.  

Скрытый потенциал

Китагава представил свой первый МОК в 1992 году. Это был двумерный пористый материал, хорошо впитывающий ацетон. Как и у Робсона, в узлах решетки располагались ионы меди. В 1997-м японский химик получил первый стабильный материал. В нем могли использоваться ионы кобальта, никеля или цинка. Благодаря пористой структуре МОК хорошо поглощал и выделял метан, азот и кислород.

Многие эксперты по-прежнему не видели перспектив в этой работе. В арсенале химиков давно есть цеолиты — кристаллы с настраиваемой величиной пор, прекрасно поглощающие различные газы и жидкости. Работа Китагавы казалась изобретением велосипеда.

Защищая свое детище, исследователь отмечал: в отличие от твердых цеолитов, новые материалы могут быть мягкими и гибкими. Это расширяет область их применения. К тому же состав МОК может быть очень разнообразным, а значит, разные материалы можно использовать в различных целях. В то время главные победы новой концепции были еще впереди.

Начало революции

Человеком, благодаря которому новые материалы заслужили признание, оказался Омар М. Яги. Именно он ввел в оборот термин metal–organic frameworks. В 1995 году Яги создал материал, выдерживающий нагревание до 350 °C. А четыре года спустя химик синтезировал знаменитый MOF-5. Всего в двух граммах этого материала суммарная площадь пор равна футбольному полю. По этому показателю MOF-5 далеко превосходит цеолиты.

Наконец, в 2002–2003 годах Яги показал, как можно управлять параметрами МОК. Он синтезировал 16 вариантов MOF-5 с порами различного размера. Одна из модификаций впитывала огромные объемы метана. Этот основной компонент природного газа с трудом поддается сжатию и сжижению, и его не хранят в баллонах. По мнению лауреата, МОК открывают путь к транспорту на метановом топливе.

Металл-органическая экономика

Потенциалом МОК наконец заинтересовались и другие научные группы. Химики синтезировали множество перспективных материалов этого класса. Вот несколько примеров. MOF-303 улавливает водяной пар даже из очень сухого воздуха. Его можно использовать в пустыне для сбора питьевой воды. MIL-101 хорошо зарекомендовал себя при переработке нефти и очистке сточных вод от антибиотиков, попадание которых в окружающую среду — серьезная проблема. Кроме того, он может хранить большие объемы углекислого газа и водорода. То и другое — находка для экономики, озабоченной углеродным следом. UiO-67 очищает воду от вредных фторорганических веществ, неформально именуемых вечными химикатами за свою устойчивость. ZIF-8 использовался в экспериментах по добыче редкоземельных металлов из сточных вод. Также МОК можно применять для улавливания токсичных газов в полупроводниковой промышленности, создания капсул для адресной доставки лекарств и многих других целей.

Пока технологии, использующие МОК, остаются экспериментальными. Но многие компании уже вкладываются в их массовое производство и коммерциализацию. Нет сомнения, что в будущем эти материалы будут применяться очень широко.