Představ si materiál, který připomíná molekulární hotel: s dokonalou strukturou plnou dutin a chodeb, kde mohou přebývat a procházet plyny, tekutiny i chemické látky. Takové materiály, nazývané kovově-organické sítě (MOF – metal-organic frameworks), přinesly svým tvůrcům Susumu Kitagawovi, Richardu Robsonovi a Omaru Yaghimu Nobelovu cenu za chemii pro rok 2025. Jejich objev mění způsob, jakým uvažujeme o molekulární architektuře, skladování energie i ochraně životního prostředí.
Architektura na úrovni atomů
Základní princip MOFů spočívá v tom, že kovové ionty fungují jako „rohy“ konstrukce, zatímco organické (uhlíkaté) molekuly tvoří „nosníky“, které je propojují. Výsledkem je pravidelná, prostorově otevřená struktura podobná trojrozměrnému lešení. Tato architektura vytváří obrovské množství dutin, mikroskopických „místností“, kam lze ukládat, zachytávat nebo směrovat konkrétní chemikálie.
Od nestabilních pokusů k revolučnímu materiálu
Příběh MOFů začal už v roce 1989, kdy Richard Robson experimentoval s ionty mědi a speciálními organickými molekulami. Vznikl krystal, který připomínal diamant , prostorný, ale nestabilní. Teprve Susumu Kitagawa a Omar Yaghi v 90. letech a na počátku 21. století dokázali tuto myšlenku přetvořit v praktickou realitu. Kitagawa zjistil, že plyny mohou skrz tyto sítě volně proudit, a ukázal, že MOFy mohou být pružné. Yaghi zase navrhl stabilní MOF, který bylo možné upravovat podle potřeby, čímž otevřel cestu k „designovým materiálům“ s přesně definovanými funkcemi.
Obr.: Richard Robson se inspiroval strukturou diamantu, ve které je každý atom uhlíku navázán na čtyři další v pyramidovitém uspořádání. Místo uhlíku však použil ionty mědi a molekulu se čtyřmi rameny, z nichž každé končilo nitrilovou skupinou – chemickou sloučeninou, která je přitahována k iontům mědi. Když tyto látky zkombinoval, vytvořily uspořádaný a velmi prostorný krystal. Zdroj: NobelPrize.org
Materiály s mnoha tvářemi
Dnes už vědci znají desítky tisíc různých MOFů a každý z nich má jiné vlastnosti. Některé dokážou zachytávat oxid uhličitý, jiné odstraňují PFAS z vody nebo vytahují vodu z pouštního vzduchu. MOFy se testují i jako katalyzátory chemických reakcí, zásobníky vodíku či materiály pro skladování energie. Díky obrovskému vnitřnímu povrchu, jeden gram MOFu může mít plochu i několika tenisových kurtů, představují jeden z nejperspektivnějších směrů současné chemie.
Nová éra molekulární konstrukce
„Kovově-organické sítě mají obrovský potenciál. Přinášejí zcela nové možnosti pro vývoj materiálů na míru,“ shrnul Heiner Linke z Nobelova výboru pro chemii. Objev Kitagawy, Robsona a Yaghiho tak není jen dalším krokem v chemii, je pozvánkou do světa, kde molekuly můžeme skládat stejně cíleně jako architekti navrhují města. Věda tím získala nové nástroje pro boj s klimatickou krizí, energetickou náročností i znečištěním, a lidstvo nové naděje, ukryté v molekulárních „místnostech“ chemie.
Zdroje k hlubšímu bádání
Their molecular architecture contains rooms for chemistry