Årets Nobelpris i kemi går till tre forskare – Susumu Kitagawa, Richard Robson och Omar M. Yaghi – för deras utveckling av en helt ny form av molekylär arkitektur. De har lärt sig att bygga material som till största delen består av tomrum, där de skapat specialdesignade ”rum” i molekylär skala som kan fånga in, förvara och omvandla andra ämnen.
Problemet: Hur bygger man ett material som är mestadels tomt?
De flesta material vi känner till är solida och täta. De material som är porösa, som tvättsvampar eller aktivt kol, har oregelbundna hålrum som är svåra att kontrollera. Kemister har länge drömt om att kunna agera som arkitekter på molekylnivå – att kunna designa och bygga material från grunden med exakt de egenskaper man vill ha.
Den stora utmaningen var: hur skapar man ett stabilt, kristall-liknande material som har stora, väldefinierade och funktionella tomrum inuti sig? Ett material som inte kollapsar så fort man tar bort det som fyller hålrummen.
Upptäckten: Molekylära byggnadsverk
Pristagarnas arbete gav svaret genom att skapa en ny klass av material kallade metallorganiska ramverk (MOF). De visade hur man kan kombinera två typer av byggstenar för att skapa stabila, tredimensionella nätverk fyllda med hålrum.
Upptäckten gjordes i flera avgörande steg:
- En ny arkitekturidé: Forskarna använde metalljoner som ”hörnstenar” och länkade samman dem med långa, organiska (kolbaserade) molekyler som fungerade som ”balkar”. Tillsammans bildar dessa byggstenar av sig själva ett regelbundet och luftigt kristallgitter, likt en byggnadsställning på molekylär nivå.
- Det första bygget: Allt började 1989 när Richard Robson fick idén att blanda kopparjoner med en specialdesignad, fyrarmad molekyl. Byggstenarna drogs till varandra och skapade en vackert ordnad, diamantliknande struktur fylld med tomrum. Konstruktionen var dock instabil och föll lätt ihop.
- Stabila och funktionella ramverk: Det var Susumu Kitagawa och Omar Yaghi som, oberoende av varandra, lade den stabila grunden. Mellan 1992 och 2003 gjorde de en rad genombrott. Yaghi lyckades skapa ett mycket stabilt MOF-material och visade att man på ett förutsägbart sätt kan byta ut byggstenarna för att skräddarsy materialets egenskaper. Samtidigt visade Kitagawa att gaser kunde flöda fritt in och ut ur ramverken och förutsåg att de även kunde göras flexibla.
Pristagarna
- Susumu Kitagawa, född 1951, är professor vid Kyoto University, Japan.
- Richard Robson, född 1937, är professor vid University of Melbourne, Australien.
- Omar M. Yaghi, född 1965, är professor vid University of California, Berkeley, USA.
Varför är detta viktigt?
Denna upptäckt har gett kemister en helt ny verktygslåda för att skapa material med skräddarsydda funktioner. Genom att variera metalljonerna och de organiska länkarna kan man designa MOF:ar för specifika uppgifter, vilket har öppnat dörren för lösningar på några av mänsklighetens största utmaningar. Några exempel på tillämpningar är:
- Klimat och miljö: Fånga in koldioxid direkt från luften eller från utsläpp, separera miljögifter som PFAS från vatten och bryta ner läkemedelsrester.
- Vattenförsörjning: Skörda dricksvatten direkt från luften, även i torra ökenklimat.
- Energi och säkerhet: Lagra bränsle som vätgas och metan mer effektivt, eller säkert förvara giftiga gaser.
- Kemi och medicin: Agera som extremt effektiva katalysatorer för att påskynda kemiska reaktioner.
Forskare har redan skapat tiotusentals olika MOF:ar, och möjligheterna att designa nya material för specifika behov verkar nästan oändliga. Pristagarnas arbete har inte bara gett oss nya material, utan ett helt nytt sätt att tänka kring och bygga kemi.
