Üç bilim insanı, yeni bir moleküler mimari biçimi keşfettikleri için 2025 Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldü: büyük boşluklar içeren kristaller.
Japonya’daki Kyoto Üniversitesi’nden Susumu Kitagawa, Avustralya’daki Melbourne Üniversitesi’nden Richard Robson ve ABD’deki Berkeley’deki California Üniversitesi’nden Omar M. Yaghi, toplam 11 milyon İsveç kronu (870.000 £) tutarındaki ödülü paylaşacak.
Ödül, üç bilim insanının metal-organik çerçeveler (Mofs) adı verilen bir şeyin geliştirilmesindeki öncü katkılarını takdir ediyor. Moflar, yapılarında mikroskobik açık boşlukların varlığı nedeniyle kimyada büyük ilgi gören, çeşitli kristalli malzemeler sınıfıdır. Çöl havasından su toplamak ve CO₂ yakalamak gibi yeşil teknolojide devrim yaratmaya yardımcı oluyorlar.
Boşlukların genişlikleri birkaç angstromdan (bir angstrom santimetrenin yüz milyonda birine eşit bir uzunluk birimidir) birkaç nanometreye (milimetrenin milyonda biri) kadar değişebilir. Bu, çıplak gözle ve hatta çoğu mikroskopla görülemeyecek kadar küçük oldukları anlamına gelir. Ancak çeşitli molekülleri barındırmak için mükemmel boyuttalar.
Mof’ların gelişimi, araştırmacıların “koordinasyon polimerlerini” keşfetmeye başladığı 1950’lerin sonlarına kadar izlenebilmektedir. Bunlar, metal iyonlarının (elektron kaybetmiş veya kazanmış atomlar) bağlı zincirlerinden ve bağlayıcılar olarak bilinen karbon bazlı köprü moleküllerinden oluşan malzemelerdir. Bu malzemeler boşluk içermiyordu ancak daha sonra Mof’ların ortaya çıkmasına neden olacak aynı metal-organik kimyaya dayanıyordu.
1980’lerin sonlarında Robson’un araştırma grubu, bazı koordinasyon polimerlerinin, karbon bazlı bağlayıcıların sıvı solvent molekül kümeleri etrafında üç boyutlu düzenlemeler oluşturduğu çerçeve benzeri yapılar olarak hazırlanabileceğini bildirdi. Robson’un araştırma makalesinde bahsedildiği gibi, bu durum “şüphesiz bir kristal olan içeriğin yaklaşık üçte ikisinin fiilen sıvı olduğu olağandışı bir durumu” ortaya çıkardı.
1990’ların ortalarında Yaghi’nin grubu, solvent molekülleri boşluklardan çıkarıldıktan sonra bile yapılarını koruyan koordinasyon polimerleri hazırlamanın mümkün olduğunu gösterdi. Bu şaşırtıcı bir sonuçtu ve bu tür çerçevelerin kırılgan olduğu ve solventin uzaklaştırılması durumunda çökeceği yönündeki yaygın varsayımı ortadan kaldırdı.
1997 yılında Kitagawa’nın araştırma grubu açık boşlukların gaz moleküllerini absorbe etmek için kullanılabileceğini gösterdi. Ayrıca birçok durumda gaz molekülleri emildikçe çerçevenin genişlediğini ve serbest bırakıldıklarında daraldığını gösterdi. Kalıcı, açık boşluklara sahip bu koordinasyon polimerleri Mof’lar olarak bilinmeye başlandı.
Üç bilim insanının keşifleri, modern Mof kimyasının doğuşuna etkili bir şekilde damgasını vurdu ve o zamandan bu yana bunlar hakkında 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 konum sağlar. Mof’ların önemli bir uygulaması gaz depolamadır. Çoğu durumda, bu malzemeler gazları serbest gaz hallerine göre çok daha yüksek yoğunluklarda tutabilirler.
Bu, hidrojen yakıtının mümkün olduğu kadar verimli bir şekilde taşınması gereken yakıt hücresiyle çalışan araçlar gibi yeşil teknolojiler için önemli avantajlar sunuyor. Birçok Mof, belirli gazlar için özellikle iyi çalışır; bu da, egzoz akışlarındaki gaz karışımlarının ayrılmasına veya küresel ısınmanın etkilerini azaltmak için havadaki CO₂’yi yakalamasına yardımcı olabileceği anlamına gelir.
Moflar ayrıca boşluklarda meydana gelen kimyasal reaksiyonlar için etkili katalizörler olarak da görev yapabilir. Mof’ların katalizör olarak en önemli avantajlarından biri, özellikleri belirli bir amaca göre ayarlamak için kimyagerlerin metalleri ve karbon bazlı bağlayıcıları değiştirmesinin nispeten basit olmasıdır.
Mof’lar, gaz moleküllerinin yanı sıra farmasötikler gibi diğer küçük molekülleri de barındırabilir. Bu, gözenekli yapılarının terapötik kimyasalların kontrollü salınımına izin verdiği belirli bir hedefe ilaçları depolamak ve iletmek için kullanılabilecekleri anlamına gelir.
Son yıllarda Mof’lar, piller, termal enerji depolama ve kimyasal sensörler (kirletici maddeler gibi kimyasalları izleyip tespit edebilen cihazlar) dahil olmak üzere diğer birçok uygulama için umut vaat ediyor. Heyecan verici bir şekilde, henüz keşfedilmemiş birçok başka uygulama var.
Otuz yılı aşkın bir süre önce keşfedilmiş olmasına rağmen, Mof’lar malzeme kimyasındaki en sıcak araştırma alanlarından biri olmaya devam ediyor ve şüphesiz önümüzdeki yıllarda da bunu yapacak.
