В 2025 году Нобелевская премия по химии присуждена Шведской академией наук за прорывные исследования в области металлорганических каркасных материалов (MOF) — уникальных пористых структур, способных удерживать, выделять и селективно взаимодействовать с молекулами. Лауреатами стали Омар Ягхи (США), Ричард Робсон (Австралия) и Сусуме Якогава (Япония) за разработку и углубленное понимание свойств этих материалов, а также создание инновационных подходов к их синтезу и применению.
Насколько актуальна эта проблема сегодня?
Металлорганические каркасные материалы — это трехмерные структуры, состоящие из металлических узлов, соединённых органическими лигандами. Благодаря высокой пористости и большой поверхности они находят применение в очистке воздуха и воды, хранении и транспортировке газов (в том числе водорода и углекислого газа), катализе химических реакций, а также рассматриваются как потенциальный инструмент в медицине для доставки лекарств.
Современные экологические и энергетические вызовы требуют новых материалов, способных эффективно улавливать и перерабатывать загрязнители, а также обеспечивать устойчивое хранение энергии. Металлорганические каркасные материалы обладают уникальным потенциалом для решения этих задач, благодаря их настраиваемой структуре и функциональности.
Что нового и перспективы
Открытия лауреатов значительно расширили понимание синтеза и структурных особенностей металлорганических каркасных материалов, что позволяет создавать материалы с заранее заданными свойствами и высокой стабильностью. В будущем это откроет путь к более экологичным и экономичным технологиям очистки и утилизации отходов, улучшению систем хранения энергии и развитию медицинских наноматериалов.
Нобелевская премия по химии 2025 года отражает важность материаловедения для решения глобальных проблем и стимулирует развитие передовых технологий. К этой теме причастны и российские ученые. В Красноярском научном центре СО РАН эта тематика также развивается. Сначала в рамках международного гранта с группой из Дрездена (Германия), затем уже в сотрудничестве с коллегами из Санкт-Петербурга и Челябинска. Исследователи из Красноярска сосредоточены на изучении стабильности и упругости металлорганических каркасных структур, особенно в ответ на внешние воздействия, а также на разработке методов их оптического анализа. Один из значимых вкладов — применение и развитие методики спектроскопии комбинационного рассеяния для этих материалов. Именно красноярским ученым удалось показать, насколько важны низкочастотные колебания в анализе металлорганических каркасных структур — это стало новым направлением в исследовании их свойств.
«Металлорганические каркасы — это кристаллические материалы, в которых металлические центры соединены органическими «линкерами», образуя пористую структуру. Эти материалы уникальны тем, что их можно «настраивать» под конкретные задачи: например, выборочно сорбировать молекулы, улавливать газы, изменять свойства под действием внешней среды.Одно из самых впечатляющих применений этих материалов связано с проблемой воды. Например, работа группы Омара Яги, одного из лауреатов, показала, что с помощью специально синтезированного каркаса можно собирать влагу из очень сухого воздуха — например, в пустыне. В одной из таких разработок удавалось получать до 60 литров чистой воды с килограмма материала в сутки. Применения металлорганических каркасов сегодня крайне разнообразны: для извлечения тяжёлых металлов, в том числе золота, из сточных вод, в промышленности — как элементы «умной» краски, сигнализирующей о механических повреждениях конструкций.
В Красноярске мы сосредоточены на изучении устойчивости и поведения металлоорганических каркасных структур под внешними воздействиями. Особое внимание мы уделяем методам спектроскопии комбинационного рассеяния, и, в частности, анализу низкочастотных колебаний, которые, как мы показали, наиболее информативны для понимания внутренних динамических процессов в таких материалах. Этот подход уже начали использовать и за рубежом — наши бывшие партнёры в Германии включили предложенную нами методику в свои текущие исследования.Кроме фундаментальных аспектов, мы рассматриваем и прикладные задачи: возможности использования металлоорганических каркасных структур как сенсоров.