Добыть воду из воздуха. Нобелевку по химии дали за «пустые» конструкции

Нобелевский комитет назвал имена лауреатов премии по химии 2025 года. Ими стали Сусуму Китагава (Япония), Ричард Робсон (Австралия) и Омар Яги (США).

Как отмечается в заявлении, эти учёные «создали молекулярные конструкции с большими пространствами, через которые могут проходить газы и другие химические вещества». Это так называемые металлоорганические каркасы (МОК). Они, например, могут использоваться для сбора воды из воздуха в пустынных регионах Земли, улавливания молекул углекислого газа, хранения токсичных газов или ускорения химических реакций.

«Создать технологию не так-то просто»

«Металлоорганические каркасы обладают огромным потенциалом, открывая ранее невиданные возможности для создания индивидуальных материалов с новыми функциями», — заявил председатель Нобелевского комитета по химии Хайнер Линке.

Всё началось в 1989 году с экспериментов, в ходе которых учёные пытались использовать свойства атомов для создания новых молекулярных конструкций. Им удалось получить упорядоченный, объёмный кристалл, который «был подобен алмазу, заполненному бесчисленными полостями».

Но эти конструкции были нестабильными и легко разрушались. Лишь последующие исследования помогли сделать их гибкими, а затем и очень устойчивыми. Было показано, что молекулярные каркасы можно улучшать, придавая им новые желаемые свойства. Кроме того, оказалось, что в такие каркасы могут втекать и вытекать газы.

После серии экспериментов и открытий химики создали десятки тысяч различных МОК‑соединений. В большинстве случаев такие материалы изготавливаются в небольших масштабах, хотя некоторые из них способны помочь в решении важнейших задач человечества. Поэтому многие компании сейчас инвестируют в их массовое производство и коммерциализацию.

«Промышленно такие материалы пока не производятся — создать технологию не так-то просто. Но рано или поздно это будет сделано», — уверен химик‑кристаллограф, профессор Сколтеха Артём Оганов.

Какая может быть польза от пустоты?

Есть вполне удачные разработки. Так, в электронной промышленности МОК-материалы используются для удержания некоторых токсичных газов, которые необходимы для производства полупроводников. Другие МОК способны разлагать вредные газы. Многие компании тестируют материалы, способные улавливать углекислый газ на заводах и электростанциях.

Нобелевский комитет приводит примеры конкретных металлорганических каркасов. Так, соединение MOF-303 может извлекать водяной пар из воздуха пустынь. Происходит это ночью, а утром, когда материал нагревается на солнце, из него выделяется питьевая вода.

Материал MIL-101, имеющий гигантские полости, будет использоваться для ускорения разложения сырой нефти и антибиотиков в загрязнённой ими воде. Также с его помощью можно хранить большие объёмы водорода или углекислого газа.

Соединение UiO-67 способно поглощать из воды «вечные химикаты» (они практически не разлагаются в окружающей среде), что делает его перспективным материалом для очистки. Есть каркасы и для извлечения из сточных вод редкоземельных элементов, которые являются ценным сырьём в различных отраслях: радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, химической промышленности, металлургии и пр.

Отделить лекарство от яда

В России это направление тоже бурно развивается.

«У нас лидером в этом направлении исследований является Владимир Петрович Федин — выдающийся учёный из Института неорганической химии в Новосибирске, — рассказал aif.ru Артём Оганов. — Он внёс свой оригинальный вклад — это так называемые хиральные металлорганические каркасы. В них не только определённый размер полостей и топология каналов, но и сами эти каналы закручены, как резьба — либо влево, либо вправо. Это позволяет разделять смесь молекул, что крайне важно, например, в фарминдустрии, где биологическая активность "левовращающих" и "правовращающих" молекул может быть разной. Одна из них может оказаться лекарством, а другая — ядом».

Вот примеры других исследований МОК-материалов, которые ведутся в нашей стране. В Национальном научном центре морской биологии им. А. В. Жирмунского ДВО РАН совместно с коллегами из Санкт-Петербурга и Москвы разработали биосовместимый пористый металлоорганический каркас, который найдёт применение в персонализированной медицине. С помощью МОК в клетки будут доставляться не только нужные лекарства, но даже гены — они будут менять стволовые клетки и запускать программы гибели раковых опухолей.

Авторы исследования впервые синтезировали долговечный МОК на основе кобальта и протестировали его в лабораторных условиях на рыбках данио — их традиционно используют в доклинических исследованиях лекарственных препаратов. Несмотря на токсичную составляющую кобальта, удалось доказать высокую биосовместимость МОК‑соединений с организмом рыб. Учёные надеются таким способом лечить глиобластому у онкопациентов.

В Томском политехе разработан материал для хранения водорода из металлоорганических каркасных структур на основе хрома, а также гидрида магния. Полученный МОК предлагает альтернативу традиционному способу хранения водорода в сжатом виде и при высоком давлении.

Учёные Сибирского федерального университета (СФУ) обнаружили ряд новых состояний МОК-соединений. Это позволит расширить сферу их применения, например, создавать биочипы для выявления заболеваний и изучения живых клеток.

А в Южно-Уральском государственном университете (ЮУрГУ) исследуют металлоорганические каркасы, которые будут использоваться в лазерной технике для создания новых источников.