2025 Nobel Kimya Ödülü, son derece yüksek gözenekliliğe sahip ayarlanabilir kristal yapılar olan metal-organik çerçevelerin (MOF’ler) geliştirilmesi nedeniyle 8 Ekim 2025’te Richard Robson, Susumu Kitagawa ve Omar Yaghi’ye verildi. Bunlar, bilim adamlarının maddeyi tasarlama ve düşünme biçimini gerçekten değiştiren, çeşitli uygulamalarda ilerlemeye ilham veren bir malzeme sınıfıdır.
Ben bir MOF bilim insanıyım ve bu alandaki çoğumuz için bu tanınma hem tarihi hem de son derece kişisel bir duygu. MOF’lar yalnızca mikroskop altında hayran kalacağınız zarif kristaller değildir; her biri doldurulmayı bekleyen minyatür tüneller ve odalardan oluşan bir şehir gibi, yapılardan oluşan koca bir evren. Araştırmaya ilk adım attığımdan beri bilim evim oldular ve bana hala biraz sihir gibi geliyorlar.
Peki MOF’lar tam olarak nedir?
Metal-organik çerçeveler iki bileşenden oluşan kristal yapı iskeleleri gibidir: bağlayıcı eklemler gibi davranan metaller ve bu eklemleri tekrar eden bir düzende birbirine bağlayan köprüler gibi davranan organik (yani karbon bazlı) moleküller. Sonuç, son derece düzenli, gözenekli bir çerçevedir; hem sağlam hem de boş alanla dolu bir tür moleküler mimari.
Bu çerçeveler, küçük boşlukları olan süngerler gibi o kadar gözeneklidir ki, onları hayal etmek neredeyse imkansızdır. Bir gram MOF o kadar çok gözeneğe sahiptir ki, bir futbol sahası kadar iç yüzey alanını açığa çıkarabilir. Bir avuç tozun tüm yüzey alanını gizleyebilmesi şaşırtıcı.
Bu muazzam yüzey alanı, MOF’ları bu kadar güçlü kılan benzersiz şeylerden biridir ve gazları, iyonları ve diğer molekülleri yakalayabilen, ayırabilen, dönüştürebilen veya taşıyabilen nano ölçekli gözeneklerden (küçük moleküler odalardan) gelir. Bir bakıma MOF’lar, her biri yalnızca belirli konukları kabul edecek şekilde programlanmış, sayısız kapısı olan moleküler oteller gibidir.
Bilim insanları onları neden seviyor?
Metal-organik çerçevelerde beni en çok büyüleyen şey sınırsız tasarım alanlarıdır. Sadece periyodik tabloya bakıldığında, her metalin prensipte bir temel taşı görevi görebileceği ve sayısız organik molekülün onları birbirine bağlayan köprü görevi görebileceği görülür. Aynı kombinasyonu kullanmak bile tamamen farklı mimariler üretebilir.
Şu ana kadar bilim insanları 90.000’den fazla MOF sentezledi ve hesaplamalı kimyagerler yüz binlerce MOF’un daha fazlasını tahmin etti. Çok az malzeme ailesi bu kadar çok yönlülüğü sunar.
MOF’ları bulmacalar veya Lego setleri olarak düşünmeyi seviyorum ama atomik ölçekte. Tek bir parçayı değiştirebilir veya rengini veya şeklini değiştirip tamamen farklı davranan bir malzeme elde edebilirsiniz.
Kimyagerlerin işlevsel grup dediği yeni bir “dekorasyon” eklediğinizde çerçeve aniden yeni bir molekülü tanır. Organik köprüleri uzattığınızda aynı mimari bir balon gibi şişerek izoretiküler MOF’lar dediğimiz şeyi verir. Bunlar aynı yapıya sahiptir ancak daha büyük gözeneklere sahiptir. Kısacası MOF’lar akla gelebilecek hemen hemen her şekil, boyut ve dokuda olabilir.
Bu malzemelerin sınırlarını zorlamak
MOF’lar, bilimsel zarafetlerinin ötesinde, gerçek dünya teknolojileri için inanılmaz derecede umut vericidir. Farklı yapılar ve işlevler, farklı özelliklere ve dolayısıyla farklı kullanımlara yol açar.
Bazı MOF’lar moleküler elek görevi görerek endüstriyel egzozdan ve hatta doğrudan havadan karbondioksiti seçici olarak yakalar. Diğerleri kirli suyu ağır metalleri, boyaları veya “sonsuza kadar kimyasalları” çıkararak temizler.
Bazı MOF’ler ayrıca tıbbi uygulamalar için vücut içinde ilaç veya görüntüleme ajanları da taşıyabilir. Enerji dünyasında pilleri daha güvenli ve verimli hale getiren elektrotlar veya elektrolitler olarak işlev görürler. Birçoğu, bir molekülü diğerine dönüştüren kimyasal reaksiyonları hızlandıran katalizör görevi görür.
Doktora eğitimime başladığımda, kıdemli meslektaşlarım MOF’ların çok hassas olabileceği konusunda beni uyardılar; ilk hava veya nem belirtisinde parçalanacak güzel kristaller. Ve gerçekten de, ilk çerçevelerden bazıları, dayanıklılıklarından çok zarafetleriyle hayranlık uyandıran, kırılgan, tuhaf şeylerdi. Ancak bu algı dramatik biçimde değişti.
Birçok MOF artık oldukça sağlamdır. İlk çalıştığım malzeme MIL-125 isimli titanyum bazlı metal-organik bir çerçeveydi. İlk olarak MOF ve gözenekli çerçeve topluluğunun temel isimlerinden biri olan ve ne yazık ki 2017’de ölen Gérard Férey tarafından rapor edildi. MIL-125 sadece kararlı değildi, aynı zamanda laboratuvarımda neredeyse yok edilemezdi. İki gramını sentezledikten sonra, onu açık bir şişede tezgahımda sakladım ve aynı partiyi doktoram boyunca her katalitik deneyde kullandım. Torpido gözü yok, kurutucu yok; sadece bankımın üzerinde mutlu bir şekilde duran bir kavanoz sarı toz var.
Bu deneyim bana önemli bir şey öğretti: İstikrar meşru bir endişe olsa da MOF’lar büyüdü. Akıllı kimya sayesinde suya, ısıya ve tekrar tekrar kullanıma dayanıklı malzemelerimiz var. Kuruluşlarından bu yana dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, bu malzemelere elektriksel iletkenlikten ışık duyarlılığına kadar yeni özellikler kazandırdılar ve daha da önemlisi, endüstriyel uygulamalar için MOF sentezinin ölçeğinin büyütülmesinde büyük ilerleme kaydettiler.
Ölçeklendirme, temel keşif ile büyük ölçekli dağıtım arasındaki boşluğu doldurmanın en önemli adımıdır. Araştırmacılar artık MOF’ları miligram cinsinden incelemekle yetinmiyor; genellikle gram, kilogram ve ötesini planlıyoruz.
Bazı start-up’lar bu ilerlemeleri gerçek teknolojilere dönüştürüyor; gazların daha güvenli depolanmasından, temiz suyun doğrudan çöl havasından çekilmesine ve daha enerji verimli klimalar inşa edilmesine kadar. Bir zamanlar bilim kurgu gibi gelen şey (nefes alan, molekülleri hapseden ve dönüştüren tozlar) artık bilimsel bir gerçek haline geldi.
Bu ilerlemelere rağmen araştırmacıların, bu malzemelerin gerçek dünyadaki potansiyelini tam olarak hayata geçirebilmeleri için MOF’ların kararlılığını ve ölçeklenebilirliğini geliştirmeye devam etmeleri gerekecek.
Yaratıcılığı onurlandıran bir Nobel anı
2025 Nobel Kimya Ödülü, üç olağanüstü bilim adamını onurlandırmanın ötesine geçiyor; tüm bir topluluğu kutluyor: tek bir fikri gelişen bir alana dönüştüren kimyagerler ve mühendislerden oluşan bir nesil. Richard Robson, Susumu Kitagawa ve Omar Yaghi’nin öncü vizyonları, gaz depolama ve katalizden enerji ve çevre teknolojilerine kadar her şeyi kapsayacak şekilde büyüyen canlı bir disiplinin temellerini attı.
İkinci yıl doktora öğrencisi olarak ilk MOF konferansıma katıldığımda. Öğrenci olarak, bu alanın öncülerinden birçoğunu hayranlıkla dinledim; bunlardan bazıları şu anda Nobel ödüllüdür. O zamanlar MOF’lar sihirli süngerler gibiydi ve bu merak duygusu beni hiç terk etmedi. Bu beni iletken MOF’lar (elektrik taşıyabilen malzemeler) üzerine araştırmama devam etmeye yöneltti. Şimdi kendi araştırma grubumda bu çerçevelerin pilleri nasıl daha güvenli ve verimli hale getirebileceğini, atık gazları nasıl yakalayıp güneş ışığını kullanarak bunları yararlı kimyasallara nasıl dönüştürebileceğini araştırıyoruz.
Benim için bu Nobel Ödülü bir keşiften daha fazlasını kutluyor, bir felsefeyi kutluyor: Kimya yaratıcıdır, maddeyi hayal gücümüzle tasarlayıp tasarlayabiliriz ve bazen boşluk bir malzemenin özü olabilir.
