2025 Nobel Kimya Ödülü Hiçbir Şeye Verildi

Japonya'daki Kyoto Üniversitesi'nden Susumu Kitagawa, Avustralya'daki Melbourne Üniversitesi'nden Richard Robson ve ABD'deki California Üniversitesi, Berkeley'den Omar M. Yaghi, 11 milyon İsveç kronu (870.000 sterlin) tutarındaki ödülü paylaşacaklar.

Ödül, üç bilim insanının metal-organik çerçeveler (Mofs) olarak adlandırılan bir şeyin geliştirilmesindeki öncü katkılarını takdir etmek amacıyla veriliyor.

Mofs, yapıları içinde mikroskobik açık boşluklar bulunması nedeniyle kimya alanında büyük ilgi gören, çeşitli kristal malzemelerden oluşan bir sınıftır. Çöl havasından su elde etmek ve CO₂ yakalamak gibi yeşil teknolojide devrim yaratmaya yardımcı oluyorlar.

Boşlukların genişliği birkaç angstromdan (angstrom, santimetrenin yüz milyonda birine eşit bir uzunluk birimidir) birkaç nanometreye (milimetrenin milyonda biri) kadar değişebilir. Bu, çıplak gözle veya hatta çoğu mikroskopla bile görülemeyecek kadar küçük oldukları anlamına gelir. Ancak çeşitli molekülleri barındırmak için mükemmel boyuttadırlar.

MOF'ların gelişimi, araştırmacıların “koordinasyon polimerlerini” keşfetmeye başladıkları 1950'lerin sonlarına kadar uzanır. Bunlar, metal iyonları (elektron kaybetmiş veya kazanmış atomlar) ve bağlayıcılar olarak bilinen karbon bazlı köprü moleküllerinden oluşan zincirlerden oluşan malzemelerdir.

Bu malzemeler boşluk içermiyordu, ancak daha sonra MOF'ların ortaya çıkmasına neden olacak aynı metal-organik kimyaya dayanıyordu.

1980'lerin sonlarında, Robson'ın araştırma grubu, bazı koordinasyon polimerlerinin, karbon bazlı bağlayıcıların sıvı çözücü molekül kümelerinin etrafında üç boyutlu düzenlemeler oluşturduğu, çerçeve benzeri yapılar olarak hazırlanabileceğini bildirdi.

Robson'ın araştırma makalesinde belirtildiği gibi, bu, “şüphesiz bir kristalin içeriğinin yaklaşık üçte ikisinin etkili bir şekilde sıvı olduğu alışılmadık bir durumu” ortaya çıkardı.

1990'ların ortalarında, Yaghi'nin grubu, çözücü molekülleri boşluklardan çıkarıldıktan sonra bile yapılarını koruyan koordinasyon polimerleri hazırlamanın mümkün olduğunu gösterdi.

Bu, bu tür çerçevelerin kırılgan olduğu ve çözücü çıkarıldığında çökeceği yönündeki yaygın varsayımı ortadan kaldıran şaşırtıcı bir sonuçtu.

1997'de Kitigawa'nın araştırma grubu, açık boşlukların gaz moleküllerini emmek için kullanılabileceğini gösterdi. Ayrıca, çoğu durumda, gaz molekülleri emildikçe yapının kendisinin genişlediğini ve serbest bırakıldıkça daraldığını da gösterdi. Kalıcı, açık boşluklara sahip bu koordinasyon polimerleri, Mofs olarak bilinir hale geldi.

Üç bilim insanının keşifleri, modern Mof kimyasının doğuşunu etkili bir şekilde işaret etti ve o zamandan beri bu konuda binlerce araştırma makalesi yayınlandı.

 

Geniş uygulama yelpazesi

Mof'lar kimyagerler için neden bu kadar ilginç? Mof'ların içindeki mikroskobik boşluklar, kimyanın gerçekleşmesi için benzersiz ve kontrol edilebilir bir yer sağlar.

Mof'ların temel uygulaması gaz depolamadır. Çoğu durumda, bu malzemeler gazları serbest gaz halinden çok daha yüksek yoğunluklarda tutabilir.

Bu, hidrojen yakıtının mümkün olduğunca verimli bir şekilde taşınması gereken yakıt hücresi ile çalışan araçlar gibi yeşil teknolojiler için önemli avantajlar sunar.

Birçok Mof, belirli gazlar için özellikle iyi çalışır, bu da egzoz akışlarındaki gaz karışımlarını ayırmaya veya küresel ısınmanın etkilerini azaltmak için havadan CO₂ yakalamaya yardımcı olabilecekleri anlamına gelir.

Mof'lar ayrıca boşluklarda gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar için etkili katalizörler olarak da işlev görebilir. Katalizör olarak MOF'ların en önemli avantajlarından biri, kimyagerlerin belirli bir amaç için özellikleri ayarlamak üzere metalleri ve karbon bazlı bağlayıcıları değiştirmelerinin ve takas etmelerinin nispeten kolay olmasıdır.

MOF'lar, gaz moleküllerinin yanı sıra ilaçlar gibi diğer küçük molekülleri de barındırabilir. Bu, gözenekli yapıları sayesinde terapötik kimyasalların kontrollü salınımını sağlayan bu moleküllerin, ilaçları depolamak ve belirli bir hedefe ulaştırmak için kullanılabileceği anlamına gelir.

Son yıllarda, MOF'lar piller, termal enerji depolama ve kimyasal sensörler (kirleticiler gibi kimyasalları izleyip tespit edebilen cihazlar) dahil olmak üzere birçok başka uygulama için umut vaat etmektedir. Heyecan verici bir şekilde, henüz keşfedilmemiş birçok başka uygulama da bulunmaktadır.

Otuz yıldan fazla bir süre önce keşfedilmiş olmasına rağmen, MOF'lar malzeme kimyasında en sıcak araştırma alanlarından biri olmaya devam etmektedir ve şüphesiz önümüzdeki yıllarda da öyle olmaya devam edecektir.

John Griffin, Lancaster Üniversitesi Malzeme Kimyası Profesörü

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.