Nobel ödüllü Omar Yaghi, buluşunun dünyayı değiştireceğini söylüyor

Kimyager Omar Yaghi, MOF adı verilen ve birkaç gramı futbol sahası yüzey alanına sahip olan malzemeleri icat etti. Neden bu süper süngerlerin gelecek yüzyılı belirleyeceğini düşündüğünü açıklıyor

Medeniyetler çağlarına madde adını verirler. Okulda Taş Devri’ni, Bronz Devri’ni öğreniyoruz ve şu anda bilgisayarlar ve telefonlarla karakterize edilen bir silikon çağındayız. Bir sonraki çağı ne tanımlayabilir? Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’nden Omar Yaghi, 1990’larda öncü olmasına yardım ettiği malzeme ailesinin iyi bir şansa sahip olduğunu düşünüyor. Bunlar metal-organik çerçevelerdir (MOF’ler) ve bunların nasıl yapılacağı üzerinde çalışmak ona 2025 Nobel kimya ödülünden pay kazandırdı.

MOF’lar ve onların kuzenleri kovalent organik çerçeveler (COF’ler) kristal malzemelerdir, ancak onları diğerlerinden ayıran şey inanılmaz gözeneklilikleridir. 1999’da Yaghi ve meslektaşları MOF-5 adı verilen çinko bazlı bir malzeme sentezledikleri zaman büyük bir sıçrama yaptılar; bu malzeme o kadar gözeneklerle doluydu ki birkaç gramı bir futbol sahasıyla karşılaştırılabilecek bir iç yüzey alanına sahipti (aşağıdaki şemaya bakınız). Malzemenin içi aslında dışından çok daha büyüktü.

Onlarca yıldır Yaghi, retiküler kimya olarak bilinen bir disiplin olan yeni MOF’lar ve COF’ler oluşturma ve bunların ne kadar yararlı olabileceği üzerinde çalışma konusunda ön saflarda yer aldı. Diğer moleküller bu malzemelerin bol miktardaki gözenekleri tarafından emilebildiğinden, bunların kurak çöl havasından su toplama, atmosferden karbondioksit emme ve çok daha fazlasında harika oldukları ortaya çıkıyor. Yaghi konuştu Yeni Bilim Adamı Bu çalışma, retiküler kimyanın geçmişi, bugünü ve geleceği konusunda neden iyimser olduğu ve neden bu malzemelerin çağının başladığını düşündüğü hakkında.

Karmela Padavic-Callaghan: Retiküler kimya konusunda sizi ilk etkileyen şey neydi?

Omar Yaghi: MOF’larla çalışmaya başladığımızda toplumsal zorluklara değineceğimizi düşünmüyorduk; bu entelektüel bir meydan okumaydı. Bir bina inşa etmek veya Lego gibi molekülleri programlamak gibi malzemeleri her seferinde bir molekül haline getirmenin bir yolunu bulmak istedik. Ancak bu gerçekten zorlu bir kimya mücadelesiydi. Birçok insan için bunun işe yaramayacağına ve bunun peşinden gitmenin zaman kaybı olduğuna dair bir inanç meselesi olarak algılandı.

Malzemeleri bu şekilde tasarlamak neden bu kadar imkansız görünüyordu?

Yapı malzemelerini rasyonel bir şekilde kullanmanın temel zorluğu, tipik olarak kimyasal yapı taşlarını karıştırdığınızda, bunların düzensiz ve karakterize edilmesi zor bir şekilde bir araya gelmeleriyle sonuçlanmasıdır. Bize doğanın yüksek entropiye veya düzensizliğe doğru yöneldiğini söyleyen fizik yasaları göz önüne alındığında bu hiç de şaşırtıcı değil. Bunun yerine, tekrarlanan, periyodik bir yapıya sahip düzenli madde içeren kristallerle sonuçlanmak istedik.

Bu biraz bir oda dolusu çocuktan mükemmel bir daire oluşturmalarını istemeye benziyor: çok çalışma gerektiriyor ve bunu yaptıklarında yine de ayrışabiliyorlar veya elleri “tutamıyorlar” ve sonra daireyi tekrar tamamlamaları çok uzun sürüyor. Başka bir deyişle, doğanın elmasları milyarlarca yıl boyunca kristalize ederken yaptığını, ama bir günde yapmaya çalışıyorduk. Ama eğer nasıl yapılacağını bilirsen her şeyin kristalleşebileceğini içten içe biliyordum.

BEN1999’da içgüdülerinizin doğru olduğu kanıtlandı ve ekibiniz şunları bildirdi: MOF-5’in sentezieşi görülmemiş derecede istikrarlıydı. Bunun gibi bir materyalin sonunda faydalı olabileceğini tahmin ettiniz mi?

Kararlı MOF’ların sentezlenmesine yardımcı olabilecek bir çözücü belirledik ve bunun nasıl çalıştığını anlayabildik. Karışımdaki moleküllerin düzensizliğe yönelik eğilimi modüle etmek için kesinlikle çok önemli olduğunu fark ettik. O zamandan beri binlerce araştırmacı bu yöntemi kullandı.

Başlangıçta güzel kristaller yapmak beni heyecanlandırıyordu. Sonra onların harika özelliklerini gördük ve “Vay be, bununla ne yapabiliriz?” diyebildik. Bu malzemelerin ne kadar gözenekliliğe sahip olduğunu öğrendiğinizde hemen gazları hapsetmeyi düşünürsünüz. Bu malzemeler, bir su molekülünün, karbon dioksitin veya başka bir şeyin bulunabileceği uzay bölmelerini kapsar.

Bugünlerde bu malzemeleri yapmayı nasıl düşündüğünüzü bana anlatın.

Yemek pişirirken üç aşamadan fazlasını yapmaktan hoşlanmıyorum ve tereyağı kullanmıyorum. Dolayısıyla zorluk, bu kadar az adımda ve yalnızca sağlıklı malzemeler kullanılarak ana yemeğin nasıl elde edileceğidir. Bu felsefe kimyama da sıçradı. Başka bir deyişle, süreci basit tutmak ve yalnızca gerçekten ihtiyacımız olan kimyasalları kullanmak istiyorum.

İlk adım malzemenin omurgasını seçmektir. İkincisi ise gözeneklerinin büyüklüğüne karar vermektir. Ayrıca gözeneklerde diğer bileşiklerin yakalanmasına yardımcı olmak için iskelet üzerinde kimya yapabilir ve ona moleküller ekleyebilirsiniz. Üçüncü adım, karbon dioksitin veya malzemeyi ne için inşa ettiyseniz onun emilmesine izin vermektir. Süreç bu kadar kolay ve karmaşıktır.

Bu süreç ne tür yeni teknolojileri takip etmenize olanak sağladı?

Malzemeleri moleküler düzeyde nasıl tasarlayacağınızı öğrendiğinizde, bu nihai başarıdır, jeolojik bir değişimdir. Benim vizyonum ve 2020’de kurduğum şirket olan Atoco’nun vizyonu, molekülden topluma doğru gitmek, bir görev için malzemenin bulunmadığı veya işi kötü yaptığı yerlere bakmak, sonra rasyonel olarak daha iyisini tasarlamaktır. Malzeme yapımında daha iyi hale geldikçe toplumsal standartları da iyileştireceğiz.

2024 yılında karbondioksiti yakalamak için şimdiye kadarki en iyi malzeme olan COF-999’u rapor etmiştik. Bunu havadan yakalıyor ve biz onu Berkeley’de karbondioksiti yakalayıp (dışarı atarak) 100’den fazla döngü boyunca test ettik. Atoco, endüstriyel ortamlarda ve aynı zamanda konut binalarında da çalışabilecek karbon yakalama modülleri oluşturmak için COF-999 gibi ağsı malzemeleri kullanmayı hedefliyor.

Ayrıca atmosferden günde binlerce litre suyu yakalayabilen malzemeler de geliştirdik. Bu, Nevada’daki çöl alanları gibi nemin yüzde 20’nin altında olduğu yerlerde bile havadan su buharını çıkarabilen cihazlarımızın temelidir. Sanırım 10 yıl içinde su hasadı günlük teknoloji haline gelecek.

Atmosferdeki buharları yoğunlaştıran cihazlar gibi suyu yakalayabilen başka teknolojiler de var ve CO2’yi yakalayabilen başka cihazlar da var. MOF’lar ve COF’ler nasıl karşılaştırılır?

Kimya üzerinde o kadar çok kontrolümüz var ki, cihazlarımızı sürdürülebilir bir şekilde üretebiliyoruz. Çok uzun yıllar çalışabilirler ve cihazın MOF kısmını yolculuğun sonunda, MOF’un çevreye kaçmayacağı şekilde su içerisinde sökebilirsiniz. Dolayısıyla MOF’ların çok tonlu seviyelere ölçeklendirildiği ve birçok farklı uygulamada kullanıldığı bir dünyada “MOF atık sorunu” ile karşılaşmayacağız.

Ve bu cihazlar enerji açısından çok daha verimli olabilir çünkü örneğin su toplayıcıların suyu salmasını sağlamak için ortamdaki güneş ışığını nasıl kullanacağımız üzerinde çalıştık. Karbon yakalama cihazları için, endüstriyel süreçlerden kaynaklanan atık ısıyı da kullanabiliriz (onların CO2 salmasını sağlamak için), bu da onları rakip teknolojilerden daha ekonomik ve sürdürülebilir hale getirir.

Ancak ölçeklenebilirlik, malzemeleri kimyasal olarak kararlı hale getirme ve çevreden emdikleri molekülleri nasıl ve ne zaman serbest bırakacakları konusunda hassas kontrole sahip olma konusunda hâlâ zorluklar var. Mesela ton ölçeğinde MOF’ları zaten yapabiliyoruz ama henüz bu kadar büyük miktarlarda COF’lar yapamıyoruz. Birkaç yıl içinde daha da büyüyeceğimizi düşünüyorum. Başka bir örnek olarak, daha iyi su hasadı için malzemelerin suya tutunma şeklini optimize etmemiz gerekiyor; su çok güçlü veya çok zayıf olamaz.

MOF’ları ve COF’leri optimize etmeye ve tasarım sürecini olabildiğince verimli hale getirmeye yardımcı olmak için artık yapay zeka ajanlarını da kullanıyoruz. Genel olarak bir MOF veya COF oluşturmak kolaydır, ancak özel olarak optimize edilmiş özelliklere sahip bir MOF veya COF oluşturmak bir yıl sürebilir. Bir yapay zeka aracısı bunu daha hızlı yapabilirse bu dönüşümsel olacaktır. Laboratuvara gittim ve herkese büyük dil modelleri kullanmayı denemelerini söyledim ve şimdiden bazı yeni MOF’lar oluşturma oranımızı iki katına çıkardık.

Daha fazla insanın heyecanlanması gerektiğini düşündüğünüz retiküler kimyanın kullanım alanları nelerdir?

Retiküler kimya şu anda devasa bir alan: hâlâ milyonlarca yeni MOF üretilebiliyor ve kimyagerler biraz şekerci dükkanındaki çocuklar gibi davranıyor. Çekici bir fikir, enzimlerin kimyasal reaksiyonları hızlandırdıklarında yaptıklarını yapmak için MOF’ların kullanılmasıdır; bu, kataliz adı verilen ve ilaç geliştirmede olduğu gibi yararlı kimyasalların sentezlenmesine yardımcı olabilecek bir süreçtir. Enzimlerin yaptığını yapabilen MOF’larımız var, ancak bunlar enzimlerden daha uzun süre dayanabilir ve çalışabilir. Bu, önümüzdeki on yılda biyolojik uygulamalar ve terapötik amaçlar için kullanılmaya hazırdır.

Ancak bir sonraki en iyi kullanım örneklerinin “çok değişkenli malzemelerden” geleceğini düşünüyorum; bu, yalnızca benim laboratuvarımda devam ettiği için hakkında pek bir şey duymadığınız bir araştırmadır. Burada, baştan sona aynı yapıya sahip olmayan ancak içlerinde çok farklı ortamlara sahip olan MOF’lar yapmak istiyoruz. Bunları farklı bileşiklerle “dekore edilmiş” farklı modüllerden yapabiliriz, böylece malzemenin içinde belirli moleküllerin belirli şeyler yapmasını sağlayacak çok farklı mikro ortamlar olur. Deneylerde, gazları daha seçici ve verimli bir şekilde emen malzemeler yapmak için bundan faydalanmayı zaten başardık. Bu aynı zamanda kimyagerlerin zihniyetinde de bir değişimdir. Kimyacılar heterojen veya düzensiz malzemeler yapmayı düşünmeye alışkın değiller, ancak çok heterojen bağırsaklarla birleştirilmiş bir malzeme için çok düzenli bir iskelet istiyoruz.

MOF’ların ve COF’ların geleceği konusunda sizi iyimser kılan şey nedir? “Mucize malzemeler” daha önce de gelip geçmişti.

Burada sadece yüzeysel bir çalışma yaptık ve fikir eksikliğimiz yok. Alan 1990’lı yıllardan bu yana genişlemektedir. Çoğunlukla araştırma ilgileri zamanla azalıyor ancak bu burada olmadı ve MOF’lar ve COF’larla ilgili patentlerdeki büyümeye bakarsanız, orada da üstel bir artış görüyorsunuz. İnsanlar hâlâ sadece kimyadaki entelektüel zorlukları çözmenin değil, aynı zamanda bu materyaller için yeni uygulamalar ve kullanımlar bulmanın yollarını arıyorlar. Bu çalışmanın organik ve inorganik kimyayı tek bir alanda birleştirmesini ve artık mühendislik ve yapay zekayı da beraberinde getirmesini seviyorum. Kimyadan daha fazlası haline geldi: Bu tür araştırmalar gerçek bir bilimsel sınırdır.

Bir devrim yaşadığımızı düşünüyorum. Her zaman böyle hissettirmiyor ama özel bir şeyler oluyor. Malzemeleri daha önce hiç yapmadığımız şekilde tasarlayabilir ve bunları daha önce hiç yapmadığımız şekilde kullanımlara bağlayabiliriz.