Νόμπελ Χημείας 2025: Η νέα εποχή των μεταλλο-οργανικών πλαισίων – Τι είναι;

Το φετινό Νόμπελ Χημείας απονεμήθηκε στους Σουσούμου Κιταγκάουα, Ρίτσαρντ Ρόμπσον και Όμαρ Γιάγκι για την ανάπτυξη των λεγόμενων «μεταλλο-οργανικών πλαισίων» (Metal-Organic Frameworks – MOFs), μιας καινοτομίας που έχει ήδη αρχίσει να αλλάζει τη χημεία των υλικών και να ανοίγει νέους δρόμους στην ενέργεια, την περιβαλλοντική τεχνολογία και τη φαρμακολογία.

Η ανακοίνωση έγινε σήμερα στη Στοκχόλμη από τη Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών, η οποία εξήρε το έργο των τριών επιστημόνων, σημειώνοντας ότι «παρείχαν στους χημικούς νέες ευκαιρίες για την επίλυση μερικών από τις πιο πιεστικές προκλήσεις της εποχής μας».

Τι είναι τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια
Τα MOFs είναι πορώδη υλικά που αποτελούνται από κόμβους μετάλλων και οργανικούς συνδέτες, δημιουργώντας δομές με τεράστια εσωτερική επιφάνεια – τόσο μεγάλη που ένα μόνο γραμμάριο υλικού μπορεί να καλύψει το εμβαδόν ενός γηπέδου ποδοσφαίρου. Αυτή η μοναδική ιδιότητα επιτρέπει στα MOFs να «αιχμαλωτίζουν» ή να αποθηκεύουν μόρια με πρωτοφανή αποτελεσματικότητα. Χρησιμοποιούνται ήδη στην αποθήκευση και μεταφορά υδρογόνου, στη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα, στην απομάκρυνση ρύπων από τον αέρα και το νερό, αλλά και ως φορείς φαρμάκων.

Η συμβολή των τριών επιστημόνων
Ο Σουσούμου Κιταγκάουα από την Ιαπωνία και ο Ρίτσαρντ Ρόμπσον από την Αυστραλία υπήρξαν από τους πρώτους που, τη δεκαετία του 1990, απέδειξαν ότι τα MOFs μπορούν να παρασκευαστούν με ελεγχόμενη αρχιτεκτονική. Ο Όμαρ Γιάγκι, Ιορδανός χημικός που εργάζεται στις Ηνωμένες Πολιτείες, θεωρείται ο άνθρωπος που έφερε την ιδέα σε εφαρμογή μεγάλης κλίμακας, δημιουργώντας MOFs με εξαιρετική σταθερότητα και ποικιλία, ενώ προώθησε την αξιοποίησή τους για «πράσινες» τεχνολογίες. Το έργο τους έχει ήδη επηρεάσει ολόκληρα πεδία της χημείας και των υλικών επιστημών, από τις μπαταρίες έως τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Η επιτροπή και το μήνυμα του βραβείου
Η επιτροπή των Νόμπελ υπογράμμισε ότι η ανακάλυψη δεν αποτελεί απλώς ένα τεχνικό επίτευγμα, αλλά και ένα παράδειγμα του πώς η επιστήμη των υλικών μπορεί να συμβάλει στην αντιμετώπιση της κλιματικής κρίσης και της ενεργειακής μετάβασης. «Η ανάπτυξη μεταλλο-οργανικών πλαισίων ανοίγει δρόμους για μια πιο βιώσιμη χημεία», ανέφερε χαρακτηριστικά.

Η παράδοση των Νόμπελ και το φετινό πλαίσιο
Το Νόμπελ Χημείας είναι το τρίτο που ανακοινώθηκε για το 2025, μετά τα βραβεία στην Ιατρική και τη Φυσική, συνεχίζοντας μια εβδομάδα επιστημονικών διακρίσεων που προσελκύουν παγκόσμιο ενδιαφέρον. Το βραβείο συνοδεύεται από χρηματικό έπαθλο 11 εκατομμυρίων σουηδικών κορωνών, περίπου 1,2 εκατομμύρια δολάρια, ποσό που θα μοιραστούν οι τρεις βραβευθέντες.

Ένα Νόμπελ με βλέμμα στο μέλλον
Η τιμητική διάκριση για τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια δεν αφορά μόνο το παρελθόν της έρευνας, αλλά κυρίως το μέλλον. Τα MOFs θεωρούνται θεμέλιο για μια νέα γενιά «έξυπνων» υλικών, ικανών να αποθηκεύουν ενέργεια, να φιλτράρουν αέρα και νερό ή να δεσμεύουν επικίνδυνα αέρια από τη βιομηχανία. Το μήνυμα της Ακαδημίας είναι σαφές: η καινοτομία στη χημεία μπορεί να αποτελέσει το πιο ισχυρό εργαλείο για έναν καθαρότερο και πιο βιώσιμο πλανήτη.

Τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια (MOFs) και οι εφαρμογές τους

Τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια (MOFs) έχουν ήδη βρει ή αναπτύσσονται για πλήθος εφαρμογών, σε πεδία που εκτείνονται από την ενέργεια και το περιβάλλον έως την ιατρική και την τεχνολογία υλικών. Ακολουθούν μερικά χαρακτηριστικά παραδείγματα:

1. Δέσμευση και αποθήκευση διοξειδίου του άνθρακα (CO₂)

Τα MOFs διαθέτουν εξαιρετικά πορώδη δομή που επιτρέπει την απορρόφηση τεράστιων ποσοτήτων CO₂ από την ατμόσφαιρα ή από καυσαέρια εργοστασίων.

Ορισμένα MOFs, όπως το Mg-MOF-74 και το UiO-66, έχουν αναπτυχθεί ειδικά για επιλεκτική δέσμευση CO₂ ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις.
Εφαρμόζονται πιλοτικά σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις, στο πλαίσιο προσπαθειών για μείωση εκπομπών και ανάπτυξη τεχνολογιών «carbon capture and storage» (CCS).

2. Αποθήκευση και μεταφορά υδρογόνου

Η τεράστια εσωτερική επιφάνεια των MOFs τα καθιστά ιδανικά για αποθήκευση αερίων, όπως το υδρογόνο (H₂), που αποτελεί το «καύσιμο του μέλλοντος».

MOFs όπως το MOF-5 μπορούν να αποθηκεύουν υδρογόνο υπό χαμηλότερη πίεση και θερμοκρασία, διευκολύνοντας τη μεταφορά και χρήση του σε κυψέλες καυσίμου.
Ερευνητικά κέντρα στην Ιαπωνία, στις ΗΠΑ και στη Γερμανία δοκιμάζουν MOFs για φορητές δεξαμενές ενέργειας και οχήματα μηδενικών ρύπων.

3. Καθαρισμός νερού και αέρα

Τα MOFs μπορούν να λειτουργήσουν ως μοριακά φίλτρα.

Έχουν τη δυνατότητα να παγιδεύουν βαρέα μέταλλα, οργανικούς ρύπους ή ραδιενεργά ιόντα από μολυσμένο νερό.
MOFs όπως το ZIF-8 χρησιμοποιούνται για την απορρόφηση υδρατμών ή τοξικών αερίων από τον αέρα, με εφαρμογές σε φίλτρα αερισμού και στρατιωτικό εξοπλισμό προστασίας.

4. Φαρμακολογία και στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων

Λόγω της πορώδους φύσης και της δυνατότητας ελέγχου της δομής τους, τα MOFs μπορούν να μεταφέρουν δραστικά μόρια και να τα απελευθερώνουν με ελεγχόμενο ρυθμό.

Αναπτύσσονται MOFs που διαλύονται βιολογικά και μπορούν να μεταφέρουν αντικαρκινικά ή αντιβιοτικά φάρμακα απευθείας στους ιστούς-στόχους, μειώνοντας τις παρενέργειες.
Πρόκειται για μια νέα κατηγορία νανοφορέων φαρμάκων, με τεράστιες προοπτικές στην εξατομικευμένη ιατρική.

5. Αισθητήρες και καταλύτες

Πολλά MOFs έχουν ηλεκτρικές και χημικές ιδιότητες που τα καθιστούν ιδανικά για ανάπτυξη αισθητήρων που ανιχνεύουν μόρια, όπως εκρηκτικά ή ρύπους, σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις.

Άλλα λειτουργούν ως καταλύτες σε χημικές αντιδράσεις, επιταχύνοντας παραγωγές φαρμάκων ή καυσίμων με μεγαλύτερη απόδοση και λιγότερα απόβλητα.

6. Παραγωγή και αποθήκευση ενέργειας

Ερευνητές εξετάζουν τη χρήση MOFs σε μπαταρίες ιόντων λιθίου και νατρίου, αλλά και σε υπερπυκνωτές, χάρη στην ικανότητά τους να φιλοξενούν ιόντα σε πολλαπλά επίπεδα.

Αυτά τα «έξυπνα» πορώδη υλικά μπορούν να οδηγήσουν σε ελαφρύτερες, ασφαλέστερες και πιο αποδοτικές μπαταρίες για κινητές συσκευές και ηλεκτρικά οχήματα.

7. Συλλογή νερού από τον αέρα

Ομάδα του Όμαρ Γιάγκι στο Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϊ ανέπτυξε MOFs που παγιδεύουν υδρατμούς τη νύχτα και απελευθερώνουν πόσιμο νερό με την ηλιακή ακτινοβολία.

Η τεχνολογία αυτή δοκιμάζεται σε άνυδρες περιοχές, προσφέροντας μια επαναστατική λύση για την παραγωγή νερού σε ερήμους ή νησιά χωρίς πρόσβαση σε υποδομές.