«Умные» сорбенты нового поколения — за что дали Нобелевскую премию по химии

Нобелевскую премию по химии в 2025 году получили три ученых: Сусуму Китагава из Японии, Ричард Робсон из Австралии и Омар Яги из США. Награду присудили за разработку металлорганических каркасов — эти конструкции могут использоваться для сорбции и разделения газов, сбора воды из воздуха в пустыне, детектирования токсичных газов, ускорения химических реакций и даже обработки информации. В чем заключается суть технологии и как она уже используется на практике, разбираемся вместе с ведущим научным сотрудником физического факультета ИТМО Валентином Миличко и доцентом научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Антоном Муравьевым.

В период с 1995 по 1999-е годы нобелевские лауреаты создали новое направление в химии — ретикулярную химию. Она позволяет строить из органических и неорганических блоков металл-органические каркасы (МОК или MOF, сокр. от metal–organic framework). Это особые пористые материалы, способные избирательно и очень эффективно сорбировать, то есть поглощать те или иные вещества. В этих конструкциях ионы металлов связаны длинными органическими молекулами и организованы в кристаллы, содержащие большие полости — поры, которые позволяют сорбировать различные вещества. Комбинируя разные ионы металлов и молекулы, химики могут создавать материалы с порами разного размера и формы для сорбции, фильтрации и хранения различных веществ: воды, углекислого газа, углеводородов, вредных металлов и других.

«Металлоорганические каркасы обладают огромным потенциалом, открывая ранее невиданные возможности для создания индивидуальных материалов с новыми функциями», — сообщается на сайте Нобелевского комитета.

Свойства традиционных сорбентов (активированного угля, цеолитов, силикагеля), как правило, заданы природой — на размер и форму их пор трудно повлиять, а потому материалы на их основе впитывают вещества неизбирательно. В то время как МОК — это упорядоченные настраиваемые структуры, которые можно проектировать под конкретные задачи: например, одновременно ловить молекулы углекислого газа (CO₂) и воды (H₂O), при этом не захватывать оксид углерода (СО).

«При создании МОК удалось объединить лучшие качества составных частиц в одном материале: прочность металл-координационных связей и гибкость и восприимчивость органических молекул к внешним условиям. Крайне высокие показатели удельной поверхности за счет высокой доли свободного пространства внутри металл-органической архитектуры обеспечивают богатые возможности по поглощению и хранению газов, ускорению органических реакций, очищению воды, которые могут решить актуальные проблемы экологии, биомедицины и химической промышленности», — подчеркнул доцент научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Антон Муравьев.

Одним из первых упорядоченные молекулярные конструкции, заполненные полостями, безуспешно попытались сделать ученые из Японии в 1959 году. Следующая, уже более удачная попытка, принадлежит химику Ричарду Робсону. В 1989 году исследователь соединил положительно заряженные ионы меди с четырехлучевой молекулой, которые вместе образовали упорядоченный кристалл. Однако структура была нестабильной и легко разрушалась. Спустя несколько лет, в период с 1995 по 1999 год, исследователи Сусуму Китагава и Омар Яги развили этот метод и независимо друг от друга совершили ряд важных открытий. Так, Сусуму Китагава показал, что газы могут «втекать» в МОК и вытекать из них, а также предположил, что эти конструкции можно сделать гибкими. В 1999 году Омар Яги создал очень устойчивый материал МОК-5, который не разрушается даже при температуре 300°C, а в своих работах в журналах Science и Nature показал, что можно модифицировать MOК, придавая им различные свойства.

Благодаря открытиям нобелевских лауреатов химики по всему миру создали десятки тысяч различных МОК, которые уже помогают решать важные проблемы: собирать воду из воздуха в пустынях, очищать воду и почву от вредных веществ, выделять и хранить токсичные газы, разделять важные промышленные газы в нефтяной и газовой областях, ускорять химические реакции и адресно доставлять лекарства в определенные органы.

«Нобелевскую премию присудили за разработку метода по созданию сверхэффективных сорбентов высокой селективности. Помимо сорбции, эти материалы перспективны и для других применений — например, их можно использовать вместо кремния в логических элементах, они могут управлять химическими реакциями или проводить электричество. Уверен, что в будущем МОК смогут стать альтернативой полупроводникам и будут использоваться в качестве мемристоров — электронных компонентов, которые участвуют в процессах записи, обработки и хранения информации», — рассказал доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Валентин Миличко. 

В России тоже разрабатывают металл-органические каркасы. Одна из самых известных научных команд в этой области — группа из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН под руководством академика Владимира Федина. Совместно с ней исследователи из ИТМО спроектировали полимеры на основе МОК для биовизуализации — они помогают удаленно контролировать температуру в живых организмах. Также материалы на основе МОК в ИТМО активно исследуют научные группы Нового физтеха и и научно-образовательного центра инфохимии. Недавно ученые из ИТМО открыли новое семейство металл-органических кристаллов, которые самопроизвольно превращаются из 3D-структур в 2D. Их уже можно использовать в качестве материала для ультратонких мемристоров и технологии ReRAM — платформ для записи и хранения информации.