«یک سوئیت جذاب و بسیار جادار، که بهطور خاص برای زندگی شما که یک مولکول آب هستید، طراحی شده است.» یک مشاور املاک احتمالا انواع ساختارهای آلی-فلزی را =که در آزمایشگاههای سراسر جهان در دهههای اخیر ابداع شدهاند، برای مولکولهای دیگر اینگونه توصیف میکند. سازههای دیگری از این نوع برای جذب دیاکسید کربن، جداسازی PFAS از آب، رساندن داروها به بدن یا مدیریت گازهای بسیار سمی ساخته شدهاند.
(PFAS یا مواد پرفلوئوروآلکیل و پلیفلوئوروآلکیل گروهی از ترکیبات شیمیایی آلی مصنوعی هستند که چندین اتم فلوئور دارند و به یک زنجیره آلکیل متصل هستند. این مواد شیمیایی ساخته دست بشر هستند که هماکنون در همه جا یافت میشوند، از آب آشامیدنی و بستهبندی مواد غذایی گرفته تا محصولات خانگی و حتی خون انسان. به آنها «مواد شیمیایی همیشگی» گفته میشود زیرا به راحتی تجزیه نمیشوند و برای مدت طولانی در محیط و بدن ما باقی میمانند.)
برخی از این ساختارها، میتوانند گاز اتیلن آزاده شده از میوه را جذب کنند (و در نتیجه میوه آهستهتر میرسد) یا آنزیمهایی را که بقایای آنتیبیوتیکها را در محیط تجزیه میکنند، در خود جای دهند.
به بیان ساده، ساختارهای آلی- فلزی، فوقالعاده مفید هستند. سوسومو کیتاگاوا، ریچارد رابسون و عمر یاغی جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۵ را دریافت میکنند، زیرا آنها نخستین ساختارهای آلی- فلزی (MOF) را ایجاد کرده و کاربردهای آنها را نشان دادند. به لطف کار این برندگان، شیمیدانان توانستهاند دهها هزار ساختار آلی- فلزی مختلف را طراحی کنند و شگفتیهای شیمیایی جدیدی را رقم بزنند.
همانطور که اغلب در علوم اتفاق میافتد، داستان جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۵ هم با کسی آغاز میشود که خارج از چارچوب فکر میکرد. این بار، الهام در طول آمادهسازی محتوا برای یک درس شیمی بهدست آمد. قرار بود دانشجویان در آن درس، مولکولها را با استفاده چند میله و توپ بسازند.
یک مدل چوبی ساده از یک مولکول، ایده نویی را پدید آورد
سال ۱۹۷۴ بود. ریچارد رابسون که در دانشگاه ملبورن استرالیا تدریس میکرد، توپهای از جنس چوب را به مدلهایی از اتمها تبدیل میکرد تا دانشجویان بتوانند با استفاده از آنها، ساختارهای مولکولی بسازند. او برای انجام این کار، به همکاری کارگاه دانشگاه نیاز داشت تا سوراخهایی در این توپها ایجاد کند تا میلههای چوبی (که نقش پیوندهای شیمیایی را داشتند)، بتوانند به اتمها متصل شوند. با این حال، سوراخها نباید به شکل تصادفی قرار گیرند. هر اتم (مانند کربن، نیتروژن یا کلر)، پیوندهای شیمیایی را به روش خاصی تشکیل میدهد. رابسون باید مشخص میکرد که سوراخها را باید در کجا ایجاد کرد.
وقتی کارگاه، توپهای چوبی را برگرداند، او شیوه ساخت برخی از مولکولها را آزمایش کرد. در این زمان بود که او لحظهای از بینش را تجربه کرد: اطلاعات زیادی در موقعیت سوراخها نهفته بود. مولکولهای مدل، بهدلیل محل قرارگیری سوراخها، بهطور خودکار شکل و ساختار صحیحی داشتند. این بینش به ایده بعدی او منجر شد: اگر او به جای اتمهای منفرد، از خواص ذاتی اتمها برای اتصال انواع مختلف مولکولها به یکدیگراستفاده میکرد، چه اتفاقی میافتاد؟ آیا او میتوانست انواع جدیدی از ساختارهای مولکولی را طراحی کند؟
شکل ۲. ریچارد رابسون از ساختار الماس الهام گرفته بود. در ساختمان کربن، هر اتم کربن به ۴ اتم دیگر به شکلی هرمی متصل است. او به جای کربن، از یونهای مس و مولکولی با ۴ بازو استفاده کرد که در انتهای هر کدام یک نیتریل وجود دارد. این یک ترکیب شیمیایی است که جذب یونهای مس میشود. وقتی این مواد با هم ترکیب شدند، یک کریستال منظم و بسیار بزرگ تشکیل دادند.
رابسون مواد شیمیایی نوآورانهای میسازد
هر سال، وقتی رابسون مدلهای چوبی را برای آموزش به دانشجویان جدید بیرون میآورد، همین ایده به ذهنش خطور میکرد. با این حال، بیش از یک دهه گذشت تا اینکه تصمیم گرفت آن را آزمایش کند. او کارش را با الهام از یک مدل بسیار ساده، یعنی ساختار الماس شروع کرد. در ساختار الماس هر اتم کربن به ۴ اتم دیگر متصل میشود و یک هرم کوچک تشکیل میدهد (شکل ۲). هدف رابسون ساخت ساختاری مشابه بود، اما ساختار او براساس یونهای مس با بار مثبت، Cu+ بود. یونهای مس هم مانند کربن، تمایل دارند ۴ اتم دیگر در اطراف خود داشته باشند.
او یونهای مس را با مولکولی که ۴ بازو دارد، ترکیب کرد: ۴′، ۴″، ۴″، ۴″-تتراسیانوترافنیل متان. نیازی به یادآوری نام پیچیده آن نیست، اما مهم است که مولکول در انتهای هر بازو یک گروه شیمیایی، به نام نیتریل، داشته باشد که جذب یونهای مس با بار مثبت میشود (شکل ۲).
در آن زمان، اکثر شیمیدانان گمان میکردند که ترکیب یونهای مس با مولکولهای دارای ۴ بازو به ایجاد یک ساختار لانه پرندهای شامل یونها و مولکولها منجر میشود. اما اوضاع به نفع رابسون پیش رفت. همانطور که او پیشبینی کرده بود، یونها و مولکولها با جاذبه ذاتی که به یکدیگر داشتند، خود را در یک ساختار مولکولی بزرگ سازماندهی کردند. آنها هم درست مانند اتمهای کربن در یک الماس، یک ساختار کریستالی منظم تشکیل دادند. با این حال، برخلاف الماس (که یک ماده فشرده و متراکم است)، این کریستال حاوی تعداد زیادی حفره بزرگ بود (شکل ۲).
در سال ۱۹۸۹، رابسون اختراع شیمیایی نوآورانه خود را در مجله انجمن شیمی آمریکا ارایه کرد. او در مقاله خود در مورد آینده گمانهزنی میکند و حدس میزند که این میتوانند راه جدیدی برای ساخت مواد جدید ارایه دهد. او مینویسد این مواد میتوانند خواصی داشته باشند که قبلا هرگز دیده نشدهاند، خواصی که بالقوه مفید هستند. همانطور که بعدها معلوم شد، او آینده را درست پیشبینی کرده بود.
رابسون روحیه پیشتاز بودن در شیمی را به ارمغان میآورد
رابسون به محض انتشار اثر پیشگامانهاش، چندین نوع جدید از ساختارهای مولکولی ارایه داد که حفرههایی داشتند و این حفرهها با مواد مختلف پر شده بودند. او از یکی از آن ساختارها برای تبادل یونها استفاده کرد. او ساختار پر از یون را در سیالی که حاوی نوع دیگری از یون بود، غوطهور کرد. نتیجه این بود که یونها جای خود را تغییر دادند و نشان دادند که مواد میتوانند به داخل و خارج از این ساختار جریان یابند.
رابسون در آزمایشهای خود نشان داد که میتوان از طراحی منطقی برای ساخت کریستالهایی با فضای داخلی وسیع (که برای مواد شیمیایی خاص بهینه شدهاند)، استفاده کرد. او حدس زد که برای مثال درصورت طراحی صحیح، میتوان از این شکل جدید ساختار مولکولی برای کاتالیز واکنشهای شیمیایی، استفاده کرد.
با این حال، ساختارهای رابسون بسیار سست و مستعد فروپاشی بودند. بسیاری از شیمیدانان فکر میکردند که آنها بیفایده هستند، اما برخی دیگر به این نکته توجه کردند که او به چیز خاصی دست یافته است و از نظر آنها، ایدههای او در مورد آینده، روحیههای پیشگام را بیدار کرد. کسانی که پایه و اساس پایداری برای دیدگاههای او بنا کردند، سوسومو کیتاگاوا و عمر یاغی بودند. بین سالهای ۱۹۹۲ تا ۲۰۰۳ آنها بهطور جداگانه، مجموعهای از اکتشافات پیشگامانه را انجام دادند. ما ادامه ماجرا را از دهه ۱۹۹۰، با کیتاگاوا که در دانشگاه کیندای ژاپن کار میکرد، پیگیری میکنیم.
شکل ۳. در سال ۱۹۹۷، کیتاگاوا موفق شد یک چارچوب یا ساختار مولکولی آلی-فلزی ایجاد کند که در آنها کانالهای باز یا خالی هم وجود داشت. میشد این کانالها را با انواع مختلف گاز پر کرد. این ماده میتوانست بدون اینکه ساختارش تغییر کند، این گازها را آزاد کند.
شعار کیتاگاوا: حتی چیزهای بیفایده هم ممکن است مفید باشند
سوسومو کیتاگاوا در طول دوران تحقیقاتی خود از یک اصل مهم پیروی کرده است: تلاش برای کشف «مفید بودن چیزهای بیفایده». او در دوران جوانیاش که دانشجو بود، کتابی از هیدکی یوکاوا، برنده جایزه نوبل خواند. یوکاوا در آن کتاب، به یک فیلسوف چینی باستان، به نام ژوانگزی اشاره میکند که میگوید ما باید اعتقادمان درباره مفید بودن چیزها را زیر سوال ببریم. چیزی که حتی اگر فایده فوری و آنی نداشته باشد، ممکن است همچنان ارزشمند باشد.
بر این اساس، وقتی کیتاگاوا کار بررسی امکان ایجاد ساختارهای مولکولی متخلخل را شروع کرد، معتقد نبود که آنها باید کاربرد خاصی داشته باشند. او نخستین ساختار مولکولی خود را در سال ۱۹۹۲ ارایه داد که در واقع چندان مفید هم نبود: یک ماده دو بعدی با حفرههایی که مولکولهای استون میتوانستند در آنها پنهان شوند. با این حال، این ساختار از یک روش جدید تفکر در مورد هنر ساخت مواد با مولکولها حاصل شده بود. او نیز مانند رابسون، از یونهای مس بهعنوان سنگ بنایی استفاده کرد که مولکولهای بزرگتر آنها را به هم متصل میکرد.
کیتاگاوا میخواست به آزمایش با این فناوری جدید ساختوساز ادامه دهد، اما وقتی برای دریافت کمکهزینه درخواست داد، تأمینکنندگان مالی تحقیقات فکر نمیکردند جاهطلبیهای او هدف خاصی داشته باشد. موادی که او ابداع میکرد ناپایدار بودند و هیچ کاربردی نداشتند، بنابراین بسیاری از پیشنهادهای او را رد کردند.
با این همه، او از ادامه راه بازنایستاد و در سال ۱۹۹۷ به نخستین موفقیت بزرگ خود دست یافت. گروه تحقیقاتی او با استفاده از یونهای کبالت، نیکل یا روی و مولکولی به نام ۴، ۴′-بیپیریدین، ساختارهای آلی- فلزی سهبعدیای ایجاد کردند که کانالهای باز یا خالی هم داشت. (شکل ۳). وقتی یکی از این مواد را خشک کردند (یعنی آب آن را خالی کردند)، پایدار بود و حتی گازها میتوانستند در فضاهای بین آنها حرکت کنند. این ماده میتوانست متان، نیتروژن و اکسیژن را بدون تغییر شکل جذب و آزاد کند.
کیتاگاوا متوجه منحصر به فرد بودن ساختههایش میشود.
سازههای کیتاگاوا هم پایدار بودند و هم کاربردی، اما تأمینکنندگان مالی تحقیقات، هنوز متوجه جذابیت این مواد نشدهاند. یکی از دلایل این بود که شیمیدانان از قبل با کاربردهای زئولیتها آشنا بودند. زئولیتها، مواد پایدار و متخلخلی هستند که از دیاکسید سیلیکون ساخته میشوند. این مواد میتوانند گازها را جذب کنند، بنابراین چرا کسی باید ماده مشابهی ابداع کند که به خوبی کار نکند؟
شکل ۴. در سال ۱۹۹۸، کیتاگاوا حدس زد که شاید بتوان ساختارهای آلی- فلزی انعطافپذیر ساخت. اکنون ساختارهای آلی- فلزی انعطافپذیر متعددی وجود دارند که میتوانند تغییر شکل دهند، بهعنوان مثال وقتی از مواد مختلف پر یا خالی میشوند.
سوسومو کیتاگاوا متوجه شد که اگر میخواهد کمکهزینههای بزرگی دریافت کند، باید تعریف کند که دلیل منحصر به فرد بودن ساختارهای آلی- فلزی چیست. بنابراین، در سال ۱۹۹۸، دیدگاه خود را در بولتن انجمن شیمی ژاپن شرح داد. او چندین مزیت ساختارهای آلی- فلزی را شرح داد. بهعنوان مثال، آنها را میتوان از انواع مختلفی از مولکولها ساخت، بنابراین امکانات بسیار زیادی برای ادغام عملکردهای مختلف وجود دارد. او همچنین متوجه شد که ساختارهای آلی- فلزی میتوانند مواد نرم تشکیل دهند که نکته بسیار مهمی است. برخلاف زئولیتها، که معمولا مواد سختی هستند، ساختارهای آلی- فلزی حاوی بلوکهای سازنده مولکولی انعطافپذیر هستند (شکل ۴) که میتوانند یک ماده انعطافپذیر ایجاد کنند. پس از این، تنها کاری که او باید انجام میداد این بود که ایدههای خود را عملی کند. کیتاگاوا، به همراه دیگر محققان، کار طراحی و تولید ساختارهای آلی- فلزی انعطافپذیر را آغاز کرد. درحالیکه آنها روی این موضوع کار میکنند، ما به ایالات متحده میرویم چرا که عمر یاغی نیز مشغول کار بود تا حوزه پژوهشی معماری مولکولی را به سطح بالاتری ارتقا دهد.
شکل ۵. در سال ۱۹۹۹، یاغی یک ماده بسیار پایدار به نام ساختار آلی- فلزی ساخت که دارای فضاهای مکعبی است. تنها چند گرم از آن میتواند مساحتی به بزرگی یک زمین فوتبال را در خود جای دهد.
بازدید مخفیانه از کتابخانه، چشمان یاغی را به شیمی باز میکند
مطالعه شیمی برای عمر یاغی انتخابی بدیهی نبود. او و خواهر و برادرهای زیادش در یک اتاق در امان، پایتخت اردن، بدون برق یا آب لولهکشی بزرگ شدند. مدرسه پناهگاه او در برابر مشکلات زندگی چالشبرانگیزش بود. وقتی که ۱۰ ساله بود، روزی پنهانی وارد کتابخانه مدرسه شد که معمولا قفل بود و کتابی را بهطور تصادفی از قفسه برداشت. با باز کردن آن، تصاویر نامفهوم اما جذابی چشمانش را بهخود خیره ساخت که نخستین برخورد او با ساختارهای مولکولی بود. یاغی در ۱۵ سالگی و به دستور موکد پدرش، برای تحصیل به ایالات متحده رفت. او مجذوب شیمی و در نهایت هنر طراحی مواد جدید شد، اما متوجه شد روش سنتی ساخت مولکولهای جدید، بسیار غیرقابل پیشبینی است. معمولا شیمیدانها، موادی را که قرار است با یکدیگر واکنش دهند، در یک ظرف مخلوط میکنند سپس برای شروع واکنش شیمیایی، ظرف را گرم میکنند. مولکول مورد نظر تشکیل میشود اما در اغلب موارد، انواع مختلفی از محصولات جانبی و آلودهکننده نیز همراه محصول اصلی تولید میشود.
در سال ۱۹۹۲ که یاغی نخستین سمت خود را بهعنوان رهبر گروه تحقیقاتی در دانشگاه ایالتی آریزونا آغاز کرد، میخواست روشهای کنترلشدهتری برای ساخت مواد پیدا کند. هدف او استفاده از طراحی منطقی برای اتصال اجزای شیمیایی مختلف، مانند قطعات لگو، برای ساخت کریستالهای بزرگ بود. این کار چالشبرانگیز بهنظر میرسید، اما سرانجام زمانی که گروه تحقیقاتی شروع به ترکیب یونهای فلزی با مولکولهای آلی کرد، موفق شدند. یاغی در سال ۱۹۹۵، ساختار ۲ ماده دوبعدی مختلف را منتشر کرد. این مواد مانند تور بودند و توسط مس یا کبالت به هم متصل میشدند. ساختار دارای کبالت میتواند میزبان مولکولهای مهمان در فضاهای خود باشد و هنگامی که این فضاها کاملا اشغال میشدند، آنقدر پایدار بود که میتوانست تا ۳۵۰ درجه سانتیگراد، بدون فروپاشی گرم شود. یاغی این ماده را در مقالهای در مجله نیچر توصیف میکند و در آنجا نام «چارچوب فلزی- آلی» را ابداع میکند. این اصطلاح اکنون برای توصیف ساختارهای مولکولی گسترده و منظمی استفاده میشود که بهطور بالقوه دارای حفره هستند و از فلزات و مولکولهای آلی (یعنی مواد که در ساختارشان کربن وجود دارد)، ساخته شدهاند.
شکل ۶.یاغی در اوایل دهه ۲۰۰۰ نشان داد که تولید انواع ساختارهای آلی-فلزی امکانپذیر است. او پیوندهای مولکولی را تغییر داد که به تولید موادی با خواص متفاوت منجر شد. این مواد شامل ۱۶نوع ساختار آلی- فلزی با حفرههایی با اندازههای مختلف است.
تنها چند گرم از ساختار یاغی میتواند یک زمین فوتبال را در خود جای دهد
یاغی در سال ۱۹۹۹، زمانی که ساختارهای آلی- فلزی را به جهان معرفی کرد، نقطه عطف بعدی در توسعه ساختارهای آلی- فلزی را رقم زد. این ماده به یک ماده کلاسیک در این زمینه تبدیل شده است. این ماده، یک ساختار مولکولی فوقالعاده جادار و پایدار است. حتی در حالت خالی، میتوان آن را تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد گرم کرد، بدون آنکه دچار فروپاشی یا تجزیه شود.
با این حال، چیزی که باعث تعجب بسیاری از محققان شد، مساحت بسیار زیاد پنهان شده درون فضاهای مکعبی این ماده بود. چند گرم از ساختارهای آلی- فلزی، مساحتی به اندازه یک زمین فوتبال را در خود جای میدهد، به این معنی که میتواند گاز بسیار بیشتری را نسبت به زئولیت جذب کند (شکل ۵).
در مورد تفاوتهای بین زئولیتها و ساختارهای آلی- فلزی، باید گفت تنها چند سال طول کشید تا محققان در توسعه ساختارهای آلی- فلزی نرم موفق شوند. یکی از کسانی که توانست یک ماده انعطافپذیر ارایه دهد، خود سوسومو کیتاگاوا بود. وقتی ماده او با آب یا متان پر میشد، شکل آن تغییر میکرد و وقتی خالی میشد، دوباره به شکل اولیه خود بازمیگشت. این ماده تا حدودی مانند ریهای رفتار میکرد که میتواند تنفس کند، گاز را به درون بکشد و بیرون بفرستد، یعنی قابل تغییر اما پایدار است.
گروه تحقیقاتی یاغی، آب آشامیدنی را از هوای بیابان استخراج میکند
عمر یاغی در سالهای ۲۰۰۲ و ۲۰۰۳ آخرین آجرهای بنای ساختارهای آلی- فلزی را گذاشت. او در ۲ مقاله در مجلههای Science و Nature نشان داد که میتوان ساختارهای آلی- فلزی را به شیوهای منطقی تغییر داد، اصلاح کرد و به آنها خواص متفاوتی بخشید. یکی از کارهایی که او انجام داد، تولید ۱۶ نوع ساختار آلی- فلزی با حفرههایی بود که هم بزرگتر و هم کوچکتر از حفرههای ماده اصلی بودند (شکل ۶). یکی از انواع آن میتوانست حجم بسیار زیادی از گاز متان را ذخیره کند، که یاغی پیشنهاد داد میتوان از آن در وسایل نقلیه با سوخت RNG(Renewable natural gas یا زیست گاز تجدیدپذیر) استفاده کرد.
پس از آن، ساختارهای آلی- فلزی، جهان را به سرعت تسخیر کردند. محققان یک کیت مولکولی با طیف گستردهای از قطعات مختلف توسعه دادهاند که میتوان از آنها برای ایجاد ساختارهای آلی- فلزی جدید استفاده کرد. این قطعات شکلها و ویژگیهای متفاوتی دارند و توانایی باورنکردنی برای طراحی منطقی (یا مبتنی بر هوش مصنوعی) ساختارهای آلی- فلزی برای اهداف مختلف فراهم میکنند. شکل ۷ نمونههایی از نحوه استفاده از ساختارهای آلی- فلزی را ارایه میدهد. بهعنوان مثال، گروه تحقیقاتی یاغی آب را از هوای بیابانی آریزونا برداشت کرده است. در طول شب، ساختارهای آلی- فلزی آنها، بخار آب را از هوا جذب میکرد. وقتی سپیدهدم آمد و خورشید ماده را گرم کرد، آنها توانستند آب را جمعآوری کنند.
ساختارهای آلی- فلزی که کربن دیاکسید و گازهای سمی را جذب میکنند
محققان تاکنون ساختارهای آلی- فلزی مختلفی ساختهاند و کاربردهای متعددی برای آنها ایجاد کردهاند. تاکنون، در بیشتر موارد، این مواد فقط در مقیاس کوچک مورد استفاده قرار گرفتهاند. برای بهرهبرداری از مزایای ساختارهای آلی- فلزی برای بشریت، بسیاری از شرکتها اکنون در حال سرمایهگذاری در تولید انبوه و تجاریسازی آنها هستند که برخی از آنها موفق شدهاند. بهعنوان مثال، هماکنون صنعت الکترونیک میتواند از موادی با ساختارهای آلی- فلزی برای به دام انداختن برخی از گازهای سمی مورد نیاز برای تولید نیمههادیها استفاده کند. از طرف دیگر، ساختارهای آلی-فلزی دیگری میتواند گازهای مضر (از جمله برخی از گازهایی که میتوان از آنها بهعنوان سلاحهای شیمیایی استفاده کرد) را تجزیه کند. شرکتهای متعددی نیز در حال آزمایش موادی هستند که میتوانند کربن دیاکسید را از کارخانهها و نیروگاهها جذب کنند تا انتشار گازهای گلخانهای را کاهش دهند.
برخی از محققان معتقدند که ساختارهای آلی- فلزی، امکانات بسیار زیادی دارند و به همین دلیل به ماده قرن بیست و یکم تبدیل خواهند شد. زمان همهچیز را مشخص خواهد کرد، اما سوسومو کیتاگاوا، ریچارد رابسون و عمر یاغی، با توسعه ساختارهای آلی- فلزی، فرصتهای جدیدی را برای شیمیدانان بهمنظور حل برخی از چالشهای پیش روی ما فراهم کردهاند. بنابراین (همانطور که در وصیتنامه آلفرد نوبل آمده است)، آنها بزرگترین منفعت را برای بشریت به ارمغان آوردهاند.
دیدگاهتان را بنویسید