Nobel z chemii. Materia z pustki, zbudowali coś tam, gdzie nie było nic

8 października 2025 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii uhonorowano trzech uczonych – Richarda Robsona, Susumu Kitagawę i Omara M. Yaghiego – za stworzenie szkieletów metaloorganicznych, czyli MOF-ów (metal-organic frameworks).

Jeszcze w latach 80. XX wieku chemicy potrafili budować niemal dowolne cząsteczki w skali pojedynczych atomów – w tzw. zerowym wymiarze. Ale świat struktur przestrzennych, rozciągających się w dwóch lub trzech wymiarach, pozostawał niemal nieosiągalny.

„To chemiczna pustynia” – pisał w 1993 roku noblista Roald Hoffmann, wskazując, że przewidywalne budowanie trójwymiarowych sieci jest niemal niemożliwe. Nawet redaktor naczelny Nature John Maddox przyznawał, że nauka nie potrafi „na podstawie składu chemicznego przewidzieć struktury nawet najprostszych kryształów”.

Ta bezradność trwała aż do końca XX wieku, kiedy chemicy zaczęli marzyć o tym, by budować materię z precyzją architekta. Jednym z nich był Richard Robson z Uniwersytetu w Melbourne w Australii. Uważał, że można połączyć jony metali z większymi cząsteczkami organicznymi, tak by same tworzyły uporządkowane, krystaliczne konstrukcje.

W 1989 roku, w eksperymencie z jonami miedzi i cząsteczką o czterech grupach cyjanowych, Robson zbudował coś, co wyglądało jak diamentowy szkielet – lecz złożony z miedzi i węgla.

Był to pierwszy przypadek, gdy chemikowi udało się przewidywalnie zaprojektować sieć molekularną z pustą przestrzenią w środku – rodzaj mikroskopijnego rusztowania, w którym mogły przemieszczać się inne cząsteczki. W kryształach Robsona rozpuszczalnik swobodnie poruszał się wśród jonów, a struktura mimo to pozostawała stabilna. To właśnie był moment, w którym narodziła się idea, że materia może być świadomie tworzona cegła po cegle, niczym budowla, a nie tylko tworzona w reaktorze przez przypadek.

Kitagawa i sztuka „miękkiej materii”

Kilka lat później, w Japonii, Susumu Kitagawa poszedł o krok dalej. Wierzył, że nawet pozornie bezużyteczne rzeczy mogą mieć wartość – inspirował się filozofią chińskiego mędrca Zhuangziego, cytowanego przez noblistę Hidekiego Yukawę: „Nawet bezużyteczne drzewo przynosi cień”.

W latach 90. Kitagawa badał, jak tworzyć sieci z jonów metali połączonych organicznymi „łącznikami”. Początkowo jego materiały rozpadały się po wysuszeniu, a sponsorzy nie widzieli sensu w dalszych badaniach. Ale w 1997 roku jego laboratorium dokonało przełomu: trójwymiarowy materiał zbudowany z jonów kobaltu, niklu i cynku połączonych cząsteczkami 4,4'-bipirydyny. Struktura ta miała otwarte kanały, które można było wypełniać gazami – tlenem, azotem, metanem – i usuwać je bez zniszczenia kryształu.

Kitagawa udowodnił, że takie struktury mogą nie tylko istnieć, ale też być elastyczne. W 1998 roku opisał trzy generacje MOF-ów: niestabilne, stabilne i dynamiczne – te ostatnie potrafiące zmieniać kształt pod wpływem światła, ciśnienia czy temperatury. Wprowadził też pojęcie soft porous crystals – miękkich, porowatych kryształów. Chemia, która dotąd kojarzyła się z twardymi ciałami, zaczęła „oddychać”.

Omar Yaghi i narodziny chemii sieciowej

Najmłodszy z laureatów, Omar M. Yaghi, dorastał w biednej rodzinie w Jordanii, bez prądu i bieżącej wody. Kiedy w wieku dziesięciu lat zakradł się do szkolnej biblioteki, natrafił na książkę z ilustracjami cząsteczek. To spotkanie – jak sam wspomina – „zdefiniowało jego życie”.

Po emigracji do USA Yaghi postanowił znaleźć sposób, by kontrolować budowę kryształów od podstaw. Chciał, by cząsteczki łączyły się nie przypadkowo, lecz w zaplanowany sposób – jak klocki LEGO. W 1995 roku opisał pierwsze dwuwymiarowe sieci z jonów kobaltu i miedzi, a cztery lata później stworzył coś, co przeszło do historii: MOF-5.

Ta struktura, zbudowana z tlenków cynku (Zn4O) i łańcuchów kwasu tereftalowego, była jak molekularna katedra – stabilna, przewidywalna i pełna regularnych pustych przestrzeni. Jej powierzchnia wewnętrzna wynosiła aż 2900 m2 na gram materiału – więcej niż powierzchnia boiska piłkarskiego ukryta w ziarnku soli. To wtedy narodził się termin szkieletów metaloorganicznych (MOF) i nowa dziedzina: reticular chemistry, czyli chemia sieciowa.

Yaghi wprowadził też pojęcie wtórnych jednostek konstrukcyjnych (SBU), które pozwalały chemikom projektować sieci z matematyczną precyzją. Następnie rozwinął ideę isoreticular chemistry, czyli budowania rodzin struktur o tej samej geometrii, lecz różnych rozmiarach porów. Dzięki temu MOF-y można było projektować na zamówienie – jedne do pochłaniania wodoru, inne do zatrzymywania CO2.

Od gazów po wodę z pustyni

W ciągu dwóch dekad od stworzenia MOF-5 powstały tysiące nowych konstrukcji. Ich potencjał szybko przekroczył granice laboratoriów. Jedne z najważniejszych zastosowań to magazynowanie gazów: wodoru, metanu czy CO2.

MOF-177, MOF-200 czy MOF-210 mogą pochłaniać nawet ponad 2000 mg dwutlenku węgla na gram materiału, a konstrukcje NU-1501 przechowują wodór w warunkach normalnego ciśnienia.

Inne, takie jak CALF-20, są już testowane w kanadyjskich fabrykach do wychwytywania CO2 z powietrza. UiO-67 usuwa z wody toksyczne związki PFAS, tzw. wieczne chemikalia. MIL-101 katalizuje rozkład antybiotyków w środowisku, a ZIF-8 pozwala odzyskiwać metale ziem rzadkich ze ścieków przemysłowych.

Ale najbardziej poetyckim zastosowaniem pozostaje to z laboratorium Yaghiego w Berkeley: pozyskiwanie wody z pustynnego powietrza. W nocy MOF chłonie parę wodną, a rano – ogrzewany przez Słońce – oddaje ją w postaci czystej wody. System działa bez zasilania i już znalazł zastosowanie w eksperymentalnych urządzeniach w Arizonie i Maroku.

Niektórzy badacze mówią, że MOF-y mogą być materiałem XXI wieku – tak, jak stal była materiałem XIX wieku, a krzem półprzewodnikowym symbolem XX.

Nowa filozofia materii

Odkrycia trzech laureatów zmieniły nie tylko chemię materiałów, lecz samą filozofię tworzenia materii. Po raz pierwszy człowiek może budować kryształy z precyzją architekta, nie zdając się na przypadek. MOF-y są czymś więcej niż narzędziem – są językiem, którym można zapisać funkcję w strukturze materii.

Jak pisał prof. Olof Ramström z Akademii Szwedzkiej: „Te badania zasadniczo zmieniły nasze postrzeganie stanu stałego. Pokazały, że można przewidywalnie projektować periodyczne struktury w trzech wymiarach, a nie tylko je obserwować”.

Dziś MOF-y stosuje się już w czujnikach biologicznych, bateriach, systemach magazynowania energii, oczyszczaniu powietrza i w projektach związanych z zieloną energią. Ich elastyczność, możliwość regeneracji i ogromna powierzchnia sprawiają, że mogą stać się filarem gospodarki cyrkularnej.

Nagroda Nobla w chemii za 2025 rok przypomina, że nauka nie zawsze polega na odkrywaniu tego, co istnieje – czasem chodzi o wymyślanie przestrzeni dla tego, co dopiero ma powstać.

Szkielety metaloorganiczne to nie tylko materiał; to sposób myślenia o materii, w którym pusta przestrzeń staje się surowcem. To chemia, która przestała ograniczać się do reakcji – i zaczęła tworzyć architekturę.