Сумочка Гермионы существует: Нобелевскую премию вручили за материал, вмещающий невозможное

Нобелевская премия по химии 2025 года стала апофеозом того, как изящная наука о строении вещества способна менять промышленность, энергетику и экологию.

Фото: dvidshub.net by Фил Санкел, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

В лаборатории

Премию разделили трое учёных — Сусуму Китагава (Киотский университет), Ричард Робсон (Мельбурнский университет) и Омар Яги (Калифорнийский университет в Беркли) - за открытие металлоорганических каркасных структур (МОКС) - материалов, которые уже называют "новым бетоном и новой нефтью" в одном лице.

МОКС (по-английски Metal-Organic Frameworks, MOFs) — это кристаллические структуры, построенные из металлов и органических "связующих" молекул, образующих пористую сеть с невероятно большой внутренней поверхностью. Если бы один грамм такого материала развернули, его площадь достигла бы половины футбольного поля.

Сегодня эти материалы улавливают углекислый газ, извлекают воду из воздуха, очищают сточные воды, а в перспективе могут стать основой для новых систем хранения водорода и аккумуляторов будущего.

Как создаётся материя с пустотой внутри

Открытие началось в 1980-е годы, когда Ричард Робсон, вдохновившись структурой алмазов, впервые предложил соединять ионы металлов с органическими молекулами-лигандaми, чтобы получать регулярные сети.
Так возникли первые координационные полимеры, в которых атомы металлов играли роль "узлов", а органические молекулы — "мостов". Но эти кристаллы быстро распадались: малейшее воздействие влаги разрушало структуру.

Позже японец Сусуму Китагава доказал, что устойчивость можно обеспечить, если использовать другие металлы — цинк, никель, кобальт - и определённые органические соединения. Он продемонстрировал, что такие материалы способны впитывать и высвобождать газы без разрушения, словно губка, и даже "дышать", изменяя форму пор.

Параллельно в США Омар Яги, уроженец Иордании, работал над идеей "молекулярного конструирования": собирать кристаллы, как дети строят модели из LEGO. В 1990-х он синтезировал первые стабильные МОКС на основе меди и цинка.

"Пара граммов такого вещества обладают площадью, сравнимой с футбольным полем, — объяснил Яги. — Это новая геометрия материи: лёгкой, прочной и функциональной одновременно".

Химия, вдохновлённая архитектурой

Нобелевский комитет сравнил МОКС с отелем для молекул: металлические узлы — это несущие колонны, органические связки — стены, а пустоты — "номера", куда заселяются гости-молекулы.
Профессор Хайнер Линке, председатель Нобелевского комитета, образно заметил:

"Небольшое количество МОКС напоминает сумочку Гермионы из "Гарри Поттера” — в ней можно хранить колоссальные объёмы вещества в микроскопическом пространстве".

В отличие от обычных пористых тел, как активированный уголь или цеолиты, МОКС обладают программируемостью: их форму, размеры и химические свойства можно менять, подбирая комбинации металлов и органических связок. Это превращает их в универсальную "молекулярную платформу".

От лаборатории к промышленности

Сегодня известно уже более 100 000 разновидностей МОКС, и каждое открытие открывает новые горизонты применения.

Люди, стоявшие у истоков

Ричард Робсон

Родом из Гласберна (Йоркшир), окончил Оксфорд и Стэнфорд, а затем стал профессором Мельбурнского университета. Его называют "отцом каркасной химии". Он первым продемонстрировал возможность создания пористых сетей с регулярной геометрией, хотя сам считал свою работу лишь "научной игрой с атомами".

Сусуму Китагава

Профессор Киотского университета, известен как "поэт координационной химии". Он первым открыл явление "дышащих" каркасов и показал, что структуры могут быть гибкими, словно живые организмы.

Омар Яги

Его путь — от мальчика из Аммана, где не было водопровода и электричества, до одного из ведущих химиков мира. Сегодня он возглавляет Калифорнийский центр нанонауки и материалов Беркли и исследует способы улавливания углерода и производства топлива прямо из воздуха.

"Моя мечта — создавать материалы, которые превращают атмосферу в ресурс. Мы должны научиться брать из воздуха всё необходимое — углерод, кислород, влагу — и использовать это с нулевыми отходами", — говорит Яги.

Почему это открытие — поворотный момент

Химия МОКС соединяет то, что раньше считалось несовместимым: жёсткость металлов и гибкость органики. Это новый шаг от "статической" химии к конструкторской науке, где материалы создаются под задачу.

Учёные сравнивают появление МОКС с изобретением пластмасс в XX веке.
Если полимеры стали универсальной основой для быта, медицины и техники, то металлоорганические каркасы обещают сделать то же самое для энергетики, экологии и нанотехнологий XXI века.

Что говорят эксперты

Доктор Бекки Гринуэй, химик из Имперского колледжа Лондона:

"Многие из нас ожидали, что МОКС рано или поздно получат Нобелевскую премию. Эти структуры уже изменили химическую парадигму: вместо случайных реакций — точное конструирование вещества на атомном уровне".

Профессор Бишахдатта Гайен (Мельбурнский университет) добавляет:

"Главная ценность этих материалов в их адаптивности. Мы можем буквально программировать молекулярные ловушки — под углекислый газ, влагу или радионуклиды".

Историческая параллель: от цеолитов к МОКС

В 1960-х годах цеолиты — микропористые минералы — совершили революцию в нефтехимии, позволив улучшить каталитический крекинг нефти. МОКС повторяют этот путь, но с гораздо большей степенью управляемости.
Если цеолиты — природные структуры, то МОКС — искусственно созданная природа, демонстрирующая, как человечество учится "строить кристаллы по заказу".

Взгляд в будущее

Разработка МОКС активно развивается: учёные создают гибриды с графеном, фотоактивные и магнитные варианты, а также "живые материалы", способные реагировать на изменения среды.

Следующий шаг — массовое производство: пока МОКС дороги, но растущий спрос на технологии улавливания углерода и хранения энергии может сделать их столь же распространёнными, как литий-ионные батареи.

FAQ: всё, что вы хотели знать о МОКС

Что делает МОКС уникальными?
Комбинация металлических и органических компонентов создаёт структурную "решётку" с колоссальной внутренней поверхностью и регулируемыми свойствами.

Правда ли, что они могут извлекать воду из воздуха?
Да. Некоторые МОКС адсорбируют влагу даже при влажности менее 10%. Эти технологии уже испытываются в пустынях Саудовской Аравии и Аризоны.

Можно ли хранить в них водород для автомобилей?
МОКС способны удерживать водород при низком давлении и комнатной температуре, что делает их идеальными кандидатами для будущих топливных ячеек.

Безопасны ли они для экологии?
Да, большинство МОКС химически стабильны и нетоксичны. Более того, они применяются для очистки воды и улавливания вредных газов.

Сколько времени потребовалось для практического применения?
С момента открытия первых структур (1989-1995) до промышленных прототипов прошло около 25 лет - типичный цикл для материалов, меняющих индустрию.