Ο κάτοχος Νόμπελ, Omar Yaghi, δηλώνει ότι η εφεύρεσή του θα αλλάξει τον κόσμο
Ο χημικός Omar Yaghi εφηύρε υλικά που ονομάζονται MOF, λίγα γραμμάρια των οποίων έχουν επιφάνεια ίση με ένα γήπεδο ποδοσφαίρου. Εξηγεί γιατί πιστεύει ότι αυτά τα σούπερ-σφουγγάρια θα καθορίσουν τον επόμενο αιώνα.
Οι πολιτισμοί ονομάζουν τις εποχές τους από τα υλικά. Στο σχολείο μαθαίνουμε για την Εποχή του Λίθου, την Εποχή του Χαλκού – και σήμερα βρισκόμαστε σε μια εποχή του πυριτίου που χαρακτηρίζεται από υπολογιστές και τηλέφωνα. Τι θα μπορούσε να καθορίσει την επόμενη εποχή; Ο Omar Yaghi στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ, πιστεύει ότι μια οικογένεια υλικών που βοήθησε να πρωτοστατήσει στη δεκαετία του 1990 έχει καλές πιθανότητες. Πρόκειται για μεταλλουργικούς-οργανικούς σκελετούς (MOF), και η ανακάλυψη του τρόπου κατασκευής τους του χάρισε ένα μερίδιο από το βραβείο Νόμπελ Χημείας του 2025.
Τα MOF, και τα ξαδέρφια τους, οι ομοιοπολικοί οργανικοί σκελετοί (COF), είναι κρυσταλλικά υλικά, αλλά αυτό που τα κάνει να ξεχωρίζουν είναι η απίστευτη πορώδης τους. Το 1999, ο Yaghi και οι συνάδελφοί του έκαναν αίσθηση όταν συνέθεσαν ένα υλικό με βάση τον ψευδάργυρο που ονομάζεται MOF-5, το οποίο ήταν τόσο γεμάτο πόρους που μερικά γραμμάρια αυτού είχαν μια εσωτερική επιφάνεια συγκρίσιμη με ένα γήπεδο ποδοσφαίρου. Το εσωτερικό του υλικού ήταν ουσιαστικά πολύ μεγαλύτερο από το εξωτερικό του.
Επί δεκαετίες, ο Yaghi βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της δημιουργίας νέων MOF και COF, μια επιστήμη γνωστή ως δικτυωτή χημεία, και της ανακάλυψης του πόσο χρήσιμα μπορούν να είναι. Επειδή άλλα μόρια μπορούν να απορροφηθούν στους άφθονους πόρους αυτών των υλικών, αποδεικνύονται εξαιρετικά στην συλλογή νερού από τον ξηρό αέρα της ερήμου, στην απορρόφηση διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα και σε πολλά άλλα. Ο Yaghi μίλησε στο New Scientist για το γιατί είναι αισιόδοξος για αυτό το έργο, το παρελθόν, το παρόν και το μέλλον της δικτυωτής χημείας – και γιατί πιστεύει ότι η εποχή αυτών των υλικών ξημερώνει.
Karmela Padavic-Callaghan: Τι σας άρπαξε αρχικά στη δικτυωτή χημεία;
Omar Yaghi: Όταν ξεκινήσαμε να εργαζόμαστε με τα MOF, δεν πιστεύαμε ότι θα αντιμετωπίζαμε κοινωνικές προκλήσεις – ήταν μια διανοητική πρόκληση. Θέλαμε να βρούμε έναν τρόπο να κατασκευάζουμε υλικά ένα μόριο τη φορά, όπως να κατασκευάζουμε ένα κτίριο ή να προγραμματίζουμε μόρια σαν Lego. Αλλά αυτή ήταν μια πραγματικά τρομερή χημική πρόκληση. Για πολλούς ανθρώπους, θεωρήθηκε δεδομένο ότι αυτό δεν θα λειτουργούσε, ότι η επιδίωξή του ήταν χάσιμο χρόνου.
Γιατί ο σχεδιασμός υλικών με αυτόν τον τρόπο φαινόταν τόσο αδύνατος;
Η κύρια πρόκληση με την κατασκευή υλικών με ορθολογικό τρόπο είναι ότι, συνήθως, όταν αναμειγνύετε τα χημικά δομικά στοιχεία, καταλήγετε να ενώνονται με τρόπο που είναι ατακτοποιημένος και δύσκολος να χαρακτηριστεί. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη δεδομένων των νόμων της φυσικής που μας λένε ότι η φύση τείνει προς την υψηλή εντροπία ή την αταξία. Αντίθετα, θέλαμε να καταλήξουμε σε κρυστάλλους, με διατεταγμένη ύλη που έχει μια επαναλαμβανόμενη, περιοδική δομή.
Είναι σαν να ζητάς από μια τάξη παιδιών να φτιάξουν έναν τέλειο κύκλο: χρειάζεται σκληρή δουλειά και, όταν το κάνουν, μπορούν ακόμα να διαχωριστούν ή να «ξε-κρατηθούν» και μετά να αργήσουν πολύ για να ολοκληρώσουν ξανά τον κύκλο. Για να το θέσω αλλιώς, προσπαθούσαμε να κάνουμε αυτό που κάνει η φύση όταν κρυσταλλώνει διαμάντια κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών – αλλά σε μια μέρα. Αλλά ήξερα βαθιά μέσα μου ότι οτιδήποτε μπορεί να κρυσταλλωθεί αν ξέρεις πώς.
Το 1999, τα ένστικτά σας αποδείχθηκαν σωστά και η ομάδα σας ανέφερε τη σύνθεση του MOF-5, το οποίο ήταν πρωτοφανώς σταθερό. Προβλέψατε ότι ένα υλικό σαν αυτό θα μπορούσε τελικά να γίνει χρήσιμο;
Εντοπίσαμε έναν διαλύτη που θα μπορούσε να βοηθήσει στη σύνθεση σταθερών MOF και στη συνέχεια μπορέσαμε να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί. Συνειδητοποιήσαμε ότι το να έχεις τα μόριά του στο μείγμα ήταν απολύτως ζωτικής σημασίας για τη ρύθμιση της τάσης προς την αταξία. Χιλιάδες ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει αυτή τη μέθοδο έκτοτε.
Στην αρχή, ήμουν απλώς ενθουσιασμένος που έφτιαχνα όμορφους κρυστάλλους. Στη συνέχεια, είδαμε τις εξαιρετικές ιδιότητές τους και μπορούσαμε να πούμε, «Ουάου, τι μπορούμε να κάνουμε με αυτό;» Και μόλις μάθετε πόση πορώδεις έχουν αυτά τα υλικά, αμέσως σκέφτεστε την παγίδευση αερίων. Αυτά τα υλικά περιλαμβάνουν διαμερίσματα χώρου όπου μπορεί να κάτσει ένα μόριο νερού ή διοξειδίου του άνθρακα ή κάτι άλλο.
Πείτε μου πώς σκέφτεστε να κατασκευάσετε αυτά τα υλικά στις μέρες μας.
Όταν μαγειρεύω, δεν μου αρέσει να χρειάζεται να κάνω περισσότερα από τρία βήματα και δεν χρησιμοποιώ βούτυρο. Έτσι, η πρόκληση είναι πώς να φτιάξεις ένα αριστούργημα σε λίγα βήματα και να χρησιμοποιήσεις μόνο υγιεινά συστατικά. Αυτή η φιλοσοφία μεταφέρθηκε και στη χημεία μου. Με άλλα λόγια, θέλω να διατηρήσω τη διαδικασία απλή και να χρησιμοποιώ μόνο τις χημικές ουσίες που πραγματικά χρειαζόμαστε.
Το πρώτο βήμα είναι η επιλογή της ραχοκοκαλιάς του υλικού. Το δεύτερο είναι η απόφαση για το μέγεθος των πόρων του. Μπορείτε επίσης να κάνετε χημεία στον σκελετό και να προσθέσετε μόρια σε αυτόν, για να βοηθήσετε στη σύλληψη άλλων ενώσεων στους πόρους. Το τρίτο βήμα είναι να αφήσετε το διοξείδιο του άνθρακα ή οτιδήποτε άλλο κατασκευάσατε το υλικό να απορροφηθεί. Τόσο εύκολη και τόσο πολύπλοκη είναι η διαδικασία.
Τι είδους νέες τεχνολογίες σας έχει επιτρέψει να ακολουθήσετε αυτή η διαδικασία;
Μόλις μάθετε πώς να σχεδιάζετε υλικά σε μοριακό επίπεδο, αυτό είναι το απόλυτο επίτευγμα, μια γεωλογική αλλαγή. Το όραμά μου, και το όραμα για την εταιρεία που ίδρυσα το 2020, την Atoco, είναι να πάω από το μόριο στην κοινωνία, να εξετάσω μέρη όπου δεν υπάρχει υλικό για κάποια εργασία ή το κάνει άσχημα, και στη συνέχεια να σχεδιάσω ορθολογικά ένα καλύτερο. Καθώς γινόμαστε καλύτεροι στην κατασκευή υλικών, θα βελτιώσουμε τα κοινωνικά πρότυπα.
Το 2024, αναφέραμε το καλύτερο υλικό μέχρι στιγμής για τη σύλληψη διοξειδίου του άνθρακα, που ονομάζεται COF-999. Το συλλαμβάνει από τον αέρα και το δοκιμάσαμε για περισσότερους από 100 κύκλους σύλληψης και στη συνέχεια [απόρριψης] διοξειδίου του άνθρακα εδώ στο Μπέρκλεϋ. Η Atoco στοχεύει να χρησιμοποιήσει δικτυωτά υλικά όπως το COF-999 για την κατασκευή μονάδων σύλληψης άνθρακα που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, αλλά και σε κατοικίες.
Έχουμε επίσης αναπτύξει υλικά που μπορούν να συλλάβουν χιλιάδες λίτρα νερού την ημέρα από την ατμόσφαιρα. Αυτή είναι η βάση για τις συσκευές μας που μπορούν να εξάγουν υδρατμούς από τον αέρα ακόμη και σε μέρη όπου η υγρασία είναι χαμηλότερη από 20 τοις εκατό, όπως οι περιοχές της ερήμου στη Νεβάδα. Νομίζω ότι σε 10 χρόνια, η συγκομιδή νερού θα είναι καθημερινή τεχνολογία.
Υπάρχουν και άλλες τεχνολογίες που μπορούν να συλλάβουν νερό, όπως συσκευές που συμπυκνώνουν ατμοσφαιρικούς ατμούς, και υπάρχουν και άλλες συσκευές που μπορούν επίσης να συλλάβουν CO2. Πώς συγκρίνονται τα MOF και τα COF;
Έχουμε τόσο μεγάλο έλεγχο στη χημεία που μπορούμε να κατασκευάσουμε τις συσκευές μας με βιώσιμο τρόπο. Θα μπορούσαν να λειτουργήσουν για πολλά, πολλά χρόνια και, στο τέλος του ταξιδιού του μέρους της συσκευής MOF, μπορείτε να το αποσυναρμολογήσετε στο νερό με τέτοιο τρόπο ώστε να μην διαφύγει κανένα MOF στο περιβάλλον. Έτσι, σε έναν κόσμο όπου τα MOF κλιμακώνονται σε επίπεδα πολλών τόνων και χρησιμοποιούνται σε πολλές διαφορετικές εφαρμογές, δεν θα αντιμετωπίσουμε ένα «πρόβλημα αποβλήτων MOF».
Και αυτές οι συσκευές μπορούν να είναι πολύ πιο ενεργειακά αποδοτικές, επειδή καταφέραμε, για παράδειγμα, να χρησιμοποιήσουμε το άμεσο ηλιακό φως για να κάνουμε τους συλλέκτες νερού να απελευθερώσουν νερό. Για συσκευές σύλληψης άνθρακα, θα μπορούσαμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε την απορριπτόμενη θερμότητα από βιομηχανικές διεργασίες [για να τις κάνουμε να απελευθερώσουν CO2], γεγονός που θα τις καθιστούσε πιο οικονομικές και βιώσιμες από τις ανταγωνιστικές τεχνολογίες.
Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις με την επεκτασιμότητα, την κατασκευή χημικά σταθερών υλικών και τον ακριβή έλεγχο του πώς και πότε απελευθερώνουν τα μόρια που απορροφούν από το περιβάλλον. Για παράδειγμα, μπορούμε ήδη να κατασκευάσουμε MOF σε κλίματα τόνων, αλλά δεν μπορούμε ακόμη να κατασκευάσουμε COF σε τόσο μεγάλες ποσότητες. Μέσα σε λίγα χρόνια, υποψιάζομαι ότι θα μεγαλώσουμε. Ένα άλλο παράδειγμα, για ακόμη καλύτερη συγκομιδή νερού, πρέπει να βελτιστοποιήσουμε τον τρόπο με τον οποίο τα υλικά συγκρατούν το νερό – δεν μπορεί να είναι ούτε πολύ ισχυρό ούτε πολύ αδύναμο.
Χρησιμοποιούμε επίσης τώρα πράκτορες τεχνητής νοημοσύνης για να βοηθήσουμε στη βελτιστοποίηση των MOF και COF και να κάνουμε τη διαδικασία σχεδιασμού όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματική. Γενικά, είναι εύκολο να φτιάξετε ένα MOF ή ένα COF, αλλά μπορεί να χρειαστεί ένας χρόνος για να φτιάξετε ένα με συγκεκριμένα βελτιστοποιημένες ιδιότητες. Εάν ένας πράκτορας τεχνητής νοημοσύνης μπορεί να το κάνει πιο γρήγορα, αυτό θα ήταν μετασχηματιστικό. Μπήκα στο εργαστήριο και είπα σε όλους να προσπαθήσουν να χρησιμοποιήσουν μεγάλα γλωσσικά μοντέλα και έχουμε ήδη διπλασιάσει τον ρυθμό με τον οποίο μπορούμε να φτιάξουμε μερικά νέα MOF.
Ποιες είναι οι χρήσεις της δικτυωτής χημείας για τις οποίες πιστεύετε ότι περισσότεροι άνθρωποι θα πρέπει να είναι ενθουσιασμένοι;
Η δικτυωτή χημεία είναι επί του παρόντος ένας τεράστιος τομέας: εκατομμύρια νέα MOF μπορούν ακόμη να κατασκευαστούν και οι χημικοί συμπεριφέρονται λίγο σαν παιδιά σε ένα κατάστημα ζαχαρωτών. Μια ελκυστική ιδέα είναι η χρήση MOF για να κάνουν αυτό που κάνουν τα ένζυμα όταν επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις, μια διαδικασία που ονομάζεται κατάλυση, η οποία μπορεί να βοηθήσει στη σύνθεση χρήσιμων χημικών ουσιών, όπως στην ανάπτυξη φαρμάκων. Έχουμε MOF που μπορούν να κάνουν αυτό που μπορούν να κάνουν τα ένζυμα, αλλά θα μπορούσαν να διαρκέσουν και να λειτουργήσουν περισσότερο από τα ένζυμα. Αυτό είναι έτοιμο να αξιοποιηθεί για βιολογικές εφαρμογές, για θεραπείες, την επόμενη δεκαετία ή κάτι τέτοιο.
Αλλά νομίζω ότι οι επόμενες καλύτερες περιπτώσεις χρήσης θα προέλθουν από «πολυπαραγοντικά υλικά», που είναι έρευνα για την οποία δεν ακούτε πολλά γιατί συμβαίνει μόνο στο εργαστήριό μου. Εδώ, θέλουμε να φτιάξουμε MOF που δεν έχουν την ίδια δομή σε όλη τους την έκταση, αλλά έχουν τεράστια διαφορετικά περιβάλλοντα μέσα τους. Μπορούμε να τα φτιάξουμε από διαφορετικές ενότητες που είναι «διακοσμημένες» με διαφορετικές ενώσεις, έτσι ώστε στο εσωτερικό του υλικού να υπάρχουν πολύ διαφορετικά μικροπεριβάλλοντα που θα κάνουν συγκεκριμένα μόρια να κάνουν συγκεκριμένα πράγματα. Σε πειράματα, έχουμε ήδη μπορέσει να το αξιοποιήσουμε αυτό για να φτιάξουμε υλικά που απορροφούν αέρια πιο επιλεκτικά και αποτελεσματικά. Αυτή είναι επίσης μια αλλαγή στη νοοτροπία των χημικών. Οι χημικοί δεν είναι συνηθισμένοι να σκέφτονται να κατασκευάζουν ετερογενή ή άνισα υλικά, αλλά θέλουμε έναν πολύ διατεταγμένο σκελετό για ένα υλικό σε συνδυασμό με πολύ ετερογενή έντερα.
Τι σας κάνει αισιόδοξο για το μέλλον των MOF και COF; Τα «θαυματουργά υλικά» έχουν έρθει και παρέλθει στο παρελθόν.
Μόλις ξύσαμε την επιφάνεια εδώ και δεν μας λείπουν οι ιδέες. Ο τομέας επεκτείνεται από τη δεκαετία του 1990. Συχνά, τα ερευνητικά ενδιαφέροντα μειώνονται με την πάροδο του χρόνου, αλλά αυτό δεν έχει συμβεί εδώ, και αν κοιτάξετε την αύξηση των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας που σχετίζονται με τα MOF και COF, βλέπετε επίσης μια εκθετική αύξηση εκεί. Οι άνθρωποι εξακολουθούν να βλέπουν τρόπους όχι μόνο να λύσουν διανοητικές προκλήσεις στη χημεία, αλλά και να βρουν νέες εφαρμογές και χρήσεις για αυτά τα υλικά. Και μου αρέσει πώς αυτό το έργο συνδυάζει την οργανική και την ανόργανη χημεία σε έναν τομέα, και τώρα φέρνει επίσης μηχανική και τεχνητή νοημοσύνη. Έχει γίνει κάτι περισσότερο από χημεία: αυτός ο τύπος έρευνας είναι ένα πραγματικό επιστημονικό σύνορο.
Νομίζω ότι βιώνουμε μια επανάσταση. Δεν το νιώθουμε πάντα έτσι, αλλά συμβαίνει κάτι ξεχωριστό. Μπορούμε να σχεδιάσουμε υλικά όπως δεν έχουμε ξανακάνει και να τα συνδέσουμε με χρήσεις όπως δεν έχουμε ξανακάνει.