Активированный уголь «на стероидах»: за что в этом году дали Нобелевскую премию по химии? Объясняем очень понятно!

Продолжается Нобелевская неделя — в среду, 8 октября, объявлены лауреаты премии по химии. Ими стали японский ученый Сусуму Китагава, британец Ричард Робсон и иорданец Омар Яги. Наградой в чуть больше чем миллион долларов была отмечена их работа по созданию металлорганических каркасов. Что это такое? Почему эти самые каркасы могут быть важны для торговли природным газом, медицины и даже искусственного интеллекта? На все эти вопросы максимально понятно отвечает старший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Валентин Миличко.

За что в этом году дали Нобелевскую премию по химии?

Валентин Миличко:В этом году Нобелевку дали за радикально новое направление по созданию материалов для улавливания и разделения газов. Это специфическое направление, у него есть отдельное название — ретикулярная химия.

Его придумал как раз один из трех лауреатов этого года — Омар Яги. Фактически он и его коллеги (Сусуму Китагава и Ричард Робсон) создали принципиально новый химический подход к производству материалов.

Интересно, что первая идея по созданию эффективных сорбентов и разделителей газов была озвучена японцами в 1959 году. Они попытались развить ее и разработать технологию по созданию пористых сорбентов, но у них ничего не получилось. Потом, спустя несколько десятилетий, эту же работу попытались повторить ученые из Австралии. У них тоже ничего не вышло.

Только в 1995–1999 годах сегодняшние лауреаты придумали, как химически строить стабильные и устойчивые сорбенты. Именно поэтому Нобелевка в этом году абсолютно бесспорно нашла своих героев. Если вы спросите любого химика, особенно ретикулярного химика, то он вам ответит, что Яги, Китагава и Робинсон — пионеры в этой области.

Нобелевскую премию по медицине дали за открытия в области иммунной толерантности — они ускорили разработку методов лечения рака и аутоиммунных заболеваний!

А зачем понадобились эти новые сорбенты?

Валентин Миличко:Сорбенты — это очень важные материалы, которые нужны нам для самых разных применений: медицина, химия, производство. Простой пример — всем известный активированный уголь. Если нам плохо, мы пьем его, он сорбирует у нас в животе газы, токсины, плохие молекулы, чтобы вывести все это из организма. Активированный уголь с этим прекрасно справляется.

Проблема в том, что уголь и другие универсальные сорбенты, улавливают все без разбора. Их нельзя «запрограммировать» на абсорбцию какого-то конкретного вещества. Тот же уголь выведет из вашего организма как остаток некачественного обеда, так и лекарство, которое вы принимаете для сердца.

Кроме того, возможность классических сорбентов улавливать что-то не такая уж и большая. Вспомните, сколько таблеток активированного угля вам нужно за раз выпить.

Так вот, Яги, Китагава и Робинсон придумали технологию, которая, во-первых, позволяет сделать сорбент, который будет целенаправленно впитывать какое-то конкретное вещество — углекислый газ, воду, метан. Во-вторых, пористость этого сорбента в десятки раз больше, чем у активированного угля и других известных нам сорбентов.

Как же им это удалось?

Валентин Миличко:Чтобы достичь большой пористости они использовали сравнительно большие органические молекулы и как бы сшили их с ионами металлов. Причем ионы эти геометрически принимают какую-то форму — пирамидки, кубика, ромбика. В итоге получается очень прочный каркас. Это можно сравнить с железобетонными конструкциями в строительстве. Перед тем как залить раствор, рабочие делают металлический каркас фундамента или стены. Так и здесь. Роль арматуры играет длинная органическая молекула, а вместо сварки используются те самые ионы металлов.

В итоге мы получаем очень пористый и при этом очень прочный материал. Казалось бы такой материал должен быть очень хлипким — вы его положите на стол, а он сложится, как карточный домик под собственным весом. Но этого не происходит!

Яги, Китагава и Робинсон придумали, как сделать так, чтобы некоторые такие сорбенты сохраняли свою пористую структуру даже в экстремальных условиях. Есть структуры, созданные на основе открытия свежеиспеченных нобелевских лауреатов, выдерживающие температуру до 600 градусов Цельсия. Какие-то сорбенты могут существовать в жестких кислотных или щелочных условиях, сохраняя возможность улавливать необходимое вещество.

При этом органические и металлические компоненты этого сорбента могут, повторюсь, целевым образом притягивать конкретные молекулы. Используя определенное органическое вещество и ионы конкретного металла, вы настраиваете свой сорбент под нужную вам задачу. К примеру, вы можете отделять этан от метана. Или угарный газ от углекислого.

Фундамент для создания квантовых компьютеров: за что дали Нобелевскую премию по физике. Объясняем максимально понятно!

Какие у этого открытия применения в реальной жизни?

Валентин Миличко:Я бы выделил несколько важных последствий открытия этих сорбентов. Ну, во-первых, как ученый я не могу еще раз не подчеркнуть фундаментальное значение этой работы. Был создан принципиально новый способ конструировать сорбирующие вещества.

Во-вторых, у работ Яги, Китагавы и Робинсона есть очень важные последствия для различных сфер технологии. Так, созданный ими класс сорбентов может использоваться для безопасного и эффективного хранения и транспортировки газа. К примеру, есть известная технология по сжижению природного газа. Однако для этого его надо охладить до очень низкой температуры, подвергнуть очень высокому давлению. Это безумно дорого.

Губки, созданные на основе ретикулярной химии, можно использовать, чтобы намного эффективнее сорбировать газы. В них можно с минимальными затратами надежно закачать желаемый газ и перевезти. Насколько я знаю, подобные технологии уже разрабатываются и апробируются в Саудовской Аравии.

В-третьих, значение этих материалов выходит далеко за пределы вопроса сорбции и разделения газов. Например, есть компании, которые производят специальные устройства для улавливания воды из воздуха. В Саудовской Аравии, Иордании и других странах с дефицитом влаги эти устройства уже появляются. Когда наступает ночь, специальные губки выкладывают на открытое пространство, и они прямо из воздуха сорбируют воду. К утру вы можете выжать достаточное количество воды для вашего личного потребления. Эта технология уже работает, такие девайсы продаются.

Наконец, эти материалы уже тестируют для создания новых типов лазеров, чипов, оптических устройств, элементов для искусственного интеллекта. Благодаря десятилетиям работы ученых сейчас эти полимеры очень легко создавать, в теории их можно приготовить дома с помощью кухонной духовки. При этом они могут заменять полупроводники вроде кремния в транзисторах, процессорах и другой электронике.