Вода из пустыни и термометр для клетки
Как сделать прочные каркасы из металлов и органических молекул
Нобелевская премия по химии 2025 года вручена химикам, которые придумали, как сделать прочные каркасы из металлов и органических молекул.
Фото: Harry Nakos / AP
Фото: Mandatory credit Kyodo / Reuters
Фото: Paul Burston, University of Melbourne / AP
Как сообщил в среду Нобелевский комитет, премию разделили Сусуму Китагава (Киотский университет, Киото, Япония), Ричард Робсон (Мельбурнский университет, Мельбурн, Австралия) и Омар Р. Яги (Калифорнийский университет в Беркли, Калифорния, США). Официальная формулировка, изложенная представителями комитета,— «За разработку металлорганических каркасов». Как обычно, размер Нобелевской премии составил 10 млн шведских крон.
Лауреаты Нобелевской премии по химии 2025 года создали молекулярные конструкции с большими пространствами, через которые могут проходить газы и другие химические вещества. В них роль узлов играют ионы металлов (или неорганические молекулы, а иногда — комплексные соединения), к которым крепятся концы углеродных цепочек, образуя ребра пространственных фигур. Такие конструкции, названные металлоорганическими каркасами (в англоязычном варианте MOF — metal-organic frameworks), могут использоваться для сбора воды из воздуха пустынь, улавливать углекислый газ, хранить в себе токсичные газы или за счет развитой поверхности катализировать химические реакции. Как отметил председатель Нобелевского комитета по химии Хайнер Линке: «Металлоорганические каркасы обладают огромным потенциалом, открывая ранее невиданные возможности для создания индивидуальных материалов с новыми функциями».
Как говорится в релизе Нобелевского комитета, в 1989 году Ричард Робсон впервые соединил положительно заряженные ионы меди с четырехлучевой органической молекулой, которая имела на конце каждого из лучей группу, которая притягивалась к иону меди. Соединившись, они образовали упорядоченный объемный кристалл с кучей пустот.
Робсон сразу осознал потенциал своей молекулярной конструкции, но она оказалась нестабильной и легко разрушалась. Зато Сусуму Китагава и Омар Яги независимо друг от друга совершили ряд революционных открытий, которые помогли распространению металлорганических каркасов. Китагава показал, что газы могут втекать в такие конструкции и вытекать из них. А также предсказал, что металлоорганические каркасы можно сделать гибкими. А Яги создал очень устойчивый каркас и показал, что его можно модифицировать, придавая ему новые и желаемые свойства.
Рассказывает в. н. с. кафедры неорганической химии химического факультета МГУ, д. х. н., профессор Валентина Уточникова: «Среди ключевых преимуществ металл-органических каркасов — высокая стабильность, в том числе термическая, высокая пористость, гибкость (в ряде случаев каркас может "дышать" при адсорбции), селективность в поглощении, каталитическая активность, устойчивость к деформациям, а также возможность дизайнерской настройки функциональных групп, чтобы оптимизировать материал для конкретного применения».
«В результате применения MOF действительно широки и порой весьма удивительны,— продолжает профессор Уточникова.— Уже коммерчески реализованы MOF-адсорбенты для улавливания углекислого газа, очистки газовых выбросов, удаления вредных примесей из воды, разделения газовых смесей. MOF-материалы используются и в аккумуляторах и суперконденсаторах как каталитические носители, а также для извлечения влаги из воздуха (в том числе из очень сухого воздуха) и хранения водорода. Уникально то, что один небольшой образец MOF может иметь общую внутреннюю поверхность, сопоставимую с площадью футбольного поля. Образно ее даже называют "магическая сумка". В некоторых экспериментальных системах MOF уже используются как сенсоры (газоанализ, биосенсоры), носители лекарств, платформы для катализатора с высокой специфичностью. Многие из этих систем мы увидим в действии уже очень скоро».
По словам ученого, Россия сегодня — один из мировых лидеров в области MOF-химии: «Многие из важнейших работ, на которых, по сути, и стоит нынешняя Нобелевская премия, были сделаны именно в нашей стране. В Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН разрабатывают новые пористые структуры на основе переходных металлов, устойчивые к влаге и высоким температурам. Редкое достижение для этого класса соединений. В Институте катализа им. Г. К. Борескова активно создают MOF-катализаторы для глубокой переработки углеводородов и превращения CO2 в метанол. В Институте общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова исследуют магнитные и сорбционные свойства гибридных лантанидных MOF, а в лаборатории физикохимии наноматериалов ФИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН разрабатывают фоточувствительные MOF, способные менять структуру под действием света,— подход, открывающий дорогу к оптическим запоминающим устройствам и управляемым сенсорам. Работы этих научных институтов в области MOF регулярно публикуются в наиболее рейтинговых научных изданиях, включая ACS Energy Letters, Angewandte Chemie и другие. Это не случайность, а результат стабильной работы, высокого уровня специалистов и соответствующей инфраструктуры».
В МГУ им. М. В. Ломоносова исследования в области MOF ведутся на нескольких факультетах и кафедрах, охватывающих как фундаментальные, так и прикладные аспекты, рассказывает профессор: «Например, на кафедре химической кинетики разрабатываются MOF-катализаторы для мягкого окисления и селективных превращений углеводородов. На кафедре высокомолекулярных соединений исследуют композиты на основе MOF и полимерных матриц, позволяющие сочетать прочность и функциональность. На кафедре органической химии ведутся работы по синтезу новых лигандов и функционализации каркасов для повышения чувствительности сенсоров. Однако наиболее широко работы в области MOF представлены на кафедре неорганической химии. Под руководством заведующего кафедрой профессора А. В. Шевелькова разрабатываются сложные кластерные и супрамолекулярные системы, близкие по архитектуре к металлоорганическим каркасам. Работы в области материалов с контролируемой пористостью и пустотными структурами, где особое внимание уделяется взаимосвязи состава, строения и свойств, формируют фундамент, на котором развиваются отечественные исследования по направлению MOF-химии. В моей группе на той же кафедре изучают люминесцентные MOF на основе редкоземельных элементов. Это позволило, в частности, создать прототип первого люминесцентного термометра, а статья, посвященная люминесцентному MOF в основе этого термометра, была выбрана для главной обложки журнала Inorganic Chemistry.
Можно уверенно сказать, что на сегодня российские ученые в значительной мере задают мировые ориентиры в исследованиях по MOF, будь то синтез новых структур, изучение их свойств или разработка функциональных применений».
Нобелевские премии по химии периодически вызывают множество противоречивых комментариев. Например, премию 2020 года за открытие «генетических ножниц» — метода геномного редактирования — многие посчитали слишком «биологической». К тому же с 1901 года половина премий по химии выдавались за исследования в области наук о живом. А премию 2024 года, выданную «за предсказание сложной структуры белков», называли программистской, потому что ее получили разработчики программы AlphaFold2, с помощью которой смогли предсказать структуру практически всех 200 млн белков, которые идентифицировали исследователи. Впрочем, к премии 2023 года, выданной «за открытие и синтез квантовых точек», или к награде 2021 года, врученной «за развитие ассиметричного органокатализа», у химического сообщества вопросов нет. Впрочем, «химичность» премии — не единственный критерий ее оценки со стороны научного сообщества. Например, премия 2022 года, выданная «за разработку клик-химии и биоортогональной химии» Каролин Рут Бертоцци и и Барри Шарплессу, вызвала удивление даже у самого Барри Шарплесса. Тем более что он сам в нескольких интервью называл первооткрывателем клик-химии своего ученика Валерия Фокина из Нижнего Новгорода.
Почему принял такое решение Нобелевский комитет, останется загадкой еще 22 года. А пока можно сказать, что формально российские ученые только однажды удостоились «Нобеля» по химии. Лауреатом стал Николай Семенов в 1956 году вместе с Сирилом Хиншелвудом. Как следует из открытых архивов Нобелевского комитета, российских нобелиатов могло быть больше. Например, Дмитрий Менделеев несколько раз был буквально в одном шаге от премии. Возможно, свою роль сыграл конфликт с братьями Нобель, по другой версии — его кандидатуру зарезал Сванте Аррениус.
Впрочем, если формально мы в списке химических лауреатов не фавориты, то фактически это не так. Например, в 2023 году «за открытие и синтез квантовых точек» в тройке лауреатов Нобелевской премии оказался гражданин США — бывший советский ученый из Физико-технического института имени Иоффе (Санкт-Петербург, Россия) Алексей Екимов.