چارچوب‌های فلزی-آلی یا Metal-Organic Frameworks (به اختصار MOF)
کاربردهای MOFها
چارچوب‌های فلزی–آلی (MOFs)
اهدای نوبل شیمی امسال به «کیف جادویی»
نوبل شیمی امسال به دانشمندانی اختصاص یافت که یک فناوری جادویی را در علم مواد خلق کرده بودند.
به گزارش "گسترش تولید و تجارت" جایزه نوبل شیمی به سه دانشمند داده شد: سوسومو کیتاگاوا، ریچارد رابسون و عمر یاغی، به خاطر توسعه و پیشبرد نوعی از مواد شیمیایی به نام چارچوب‌های فلزی-آلی یا Metal-Organic Frameworks (به اختصار MOF).در این گزارش به بررسی این موضوع پرداخته‌ایم که این دستاورد دقیقا چیست و چه کاربردی در زندگی بشر دارد.
معنای این دستاورد چیست؟
ساختار مولکولی ویژه‌ای که این سه دانشمند خلق کرده‌اند مثل یک «اتاق مولکولی» برای مولکول‌ها عمل می‌کند. ساختارهایی که می‌گویند مثل یک کیف جادویی‌اند: از بیرون کوچک به نظر می‌آیند ولی درونشان فضاهای داخلی زیادی دارند که مولکول‌ها می‌توانند وارد شوند، زندگی کنند، و بعد از مدتی خارج شوند. چرا این «اتاق مولکولی» مهم است؟ چون ما می‌توانیم به کمک آن مولکول‌های گاز، ذرات آلودگی، یا حتی آب را جذب کنیم یا جدا کنیم — کاری که در بسیاری از فناوری‌های زیست‌محیطی، انرژی و صنعتی بسیار حیاتی است. به بیان ساده، این اختراع مثل ساخت یک خانه هوشمند برای مولکول‌ها است که می‌توانیم تعیین کنیم چه کسی وارد شود، چه کسی بیرون برود، و چه فعالیتی داخل آن انجام شود — و این کنترل، در مقیاس اتمی و مولکولی، امکانات تازه‌ای برای علم و فناوری باز کرده است.
این ساختارها چه کاربردی دارند؟
کاربردهای MOFها گستره شگفت‌انگیزی از زمینه‌ها را پوشش می‌دهند: محیط زیست، انرژی پاک، آب شیرین، پزشکی پیشرفته و فناوری مواد.موارد زیر نمونه‌هایی از کاربردهای عملی یا بالقوه چارچوب‌های فلزی–آلی هستند که در پژوهش‌ها آمده است:یکی از چالش‌های بزرگ کنونی، کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن است. MOFها می‌توانند این گاز را انتخابی جذب کنند و در شرایطی آن را آزاد کنند تا بتوان آن را ذخیره کرد یا به مواد مفید تبدیل کرد. تولید یا استخراج آب از هوا در مناطق خشک، کاربرد مهم بعدی است. برخی MOFها قادرند بخار آب موجود در هوای بسیار خشک را جذب و متراکم کنند به طوری که بتوانند آب قابل استفاده تولید کنند. این ویژگی می‌تواند در مناطقی با کمبود آب کاربرد حیاتی داشته باشد. این ساختار مهم در تصفیه آب و حذف آلاینده‌ها نیز نقش کلیدی دارد. MOFها می‌توانند مواد سمی، آلاینده‌ها یا ذرات کوچک را از آب بگیرند. به عنوان مثال، جدا کردن ترکیبات «پِرفلوئور» (PFAS) — که برخی از آن‌ها به «مواد شیمیایی همیشگی» معروف شده‌اند — از آب یکی از زمینه‌هایی است که اشاره شده است.
ذخیره گازهای سوختی یا گازهای مفید کاربرد مهم دیگر است؛ MOFها امکان ذخیره هیدروژن، متان یا سایر گازهای مفید را با چگالی بالا فراهم می‌آورند، که می‌تواند در باتری، سوخت پاک یا مولفه‌های انرژی نو مهم باشد. در سطح آزمایشگاهی و تخصصی، این ساختار در کاتالیز و شتاب‌دهی واکنش‌ها نقش مهمی دارد. درون حفره‌های MOF می‌توان شرایط شیمیایی کنترل‌شده ایجاد کرد یا مولکول‌های کاتالیزور را جای‌گذاری کرد تا واکنش‌های شیمیایی سریع‌تر، موثرتر یا با انتخاب‌پذیری بهتر انجام شوند. ساختارهای MOF در پزشکی و دارو نیز نقش دارند. برخی MOFها می‌توانند مولکول‌های دارویی را درون ساختار خود جا دهند و آن‌ها را در زمان یا مکان خاصی آزاد کنند. برخی MOFها قادرند گازهای سمی را ذخیره کنند یا محیطی ایمن فراهم کنند. برخی بررسی‌ها حتی برای حفظ میوه‌ها، کند کردن روند رسیدن، یا مدیریت گاز اتیلن اطراف میوه اشاره کرده‌اند.
با این سه دانشمند بیشتر آشنا شوید
سه دانشمندی که امروز نوبل شیمی ۲۰۲۵ را به خود اختصاص دادند، در حوزهٔ مواد مولکولی سازه‌ای پیشگام بوده‌اند:ریچارد رابسون (Richard Robson)او از اولین کسانی بود که ایده ایجاد ساختارهای شبکه‌ای مولکولی با گره‌های فلزی و پیوندهای آلی را مطرح کرد. سال ۱۹۸۹ او ترکیبی از یون‌های مس و لیگاندی چهار بازو را طراحی کرد که در ساختار بلوری جادار تشکیل شد. گرچه آن ساختار اولیه پایدار نبود، اما ایدهٔ پایه برای توسعه چارچوب‌های متخلخل را شکل داد. سوسومو کیتاگاوا (Susumu Kitagawa)کیتاگاوا بر تثبیت ساختارها و نشان دادن اینکه گازها می‌توانند به‌طور کنترل‌شده وارد و خارج شوند تمرکز کرد. او اثبات کرد که می‌توان MOFهایی ساخت که انعطاف‌پذیر باشند یا در شرایط متفاوت رفتار متفاوتی داشته باشند. عمر یاغی (Omar M. Yaghi)یاغی شخصیت برجسته‌ای در زمینه “شیمی مشبک” (reticular chemistry) است: ایده‌ای که در آن مولکول‌های ساختمانی مثل قطعات لگو به هم متصل می‌شوند تا ساختارهای بزرگ بسازند. او یکی از کسانی بود که چارچوب‌هایی پایدار، طراحی‌پذیر و متخلخل ساخت و تنوع بسیار زیادی در MOFها ایجاد کرد. عمر یاغی در سال ۲۰۱۵ در ایران برگزیده جایزه «مصطفی(ع)» شد؛ جایزه‌ای که ایران در حوزه علم و فناوری هر دو سال یک‌بار به دانشمندان برتر جهان اسلام اعطا می‌کند.
با این سه دانشمند بیشتر آشنا شوید
سه دانشمندی که امروز نوبل شیمی ۲۰۲۵ را به خود اختصاص دادند، در حوزهٔ مواد مولکولی سازه‌ای پیشگام بوده‌اند:ریچارد رابسون (Richard Robson)او از اولین کسانی بود که ایده ایجاد ساختارهای شبکه‌ای مولکولی با گره‌های فلزی و پیوندهای آلی را مطرح کرد. سال ۱۹۸۹ او ترکیبی از یون‌های مس و لیگاندی چهار بازو را طراحی کرد که در ساختار بلوری جادار تشکیل شد. گرچه آن ساختار اولیه پایدار نبود، اما ایدهٔ پایه برای توسعه چارچوب‌های متخلخل را شکل داد. سوسومو کیتاگاوا (Susumu Kitagawa)کیتاگاوا بر تثبیت ساختارها و نشان دادن اینکه گازها می‌توانند به‌طور کنترل‌شده وارد و خارج شوند تمرکز کرد. او اثبات کرد که می‌توان MOFهایی ساخت که انعطاف‌پذیر باشند یا در شرایط متفاوت رفتار متفاوتی داشته باشند. عمر یاغی (Omar M. Yaghi)یاغی شخصیت برجسته‌ای در زمینه “شیمی مشبک” (reticular chemistry) است: ایده‌ای که در آن مولکول‌های ساختمانی مثل قطعات لگو به هم متصل می‌شوند تا ساختارهای بزرگ بسازند. او یکی از کسانی بود که چارچوب‌هایی پایدار، طراحی‌پذیر و متخلخل ساخت و تنوع بسیار زیادی در MOFها ایجاد کرد. عمر یاغی در سال ۲۰۱۵ در ایران برگزیده جایزه «مصطفی(ع)» شد؛ جایزه‌ای که ایران در حوزه علم و فناوری هر دو سال یک‌بار به دانشمندان برتر جهان اسلام اعطا می‌کند.
رابسون اولین گام را برداشت و ایده ساخت ساختارهای شبکه‌ای مملو از فضاهای خالی را مطرح کردرابسون اکنون ۸۸ ساله است، کیتاگاوا در ژاپن فعالیت دارد و یاغی استاد در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی است. او تجربه خلق ترکیب Cu لیگاند چهار بازویی را داشت. سپس کیتاگاوا نشان داد که گازها می‌توانند داخل این ساختارها وارد شوند و خارج شوند، و اینکه ساختارها می‌توانند به گونه‌ای ساخته شوند که انعطاف‌پذیری یا تغییر شکل داشته باشند. یاغی، با بینش شیمی مشبک، ساختارهایی طراحی کرد که هم پایدار باشند و هم بتوان آن‌ها را طبق طراحی تنظیم کرد. او مفاهیمی مانند “واحدهای ساختمانی ثانویه” (secondary building units, SBUs) را وارد کرد تا ساختارهای پیچیده‌تر و پایدارتر بسازد. پس از این گام‌ها، دانشمندان جهان هزاران نوع MOF مختلف ساختند و در آزمایشگاه‌ها آن‌ها را برای کاربردهای متفاوت آزمودند.
شرح علمی کامل‌ترِ دستاورد
اینجا مفاهیم علمی چارچوب‌های فلزی–آلی (MOFs) با دقت بیشتری بررسی می‌شود تا درک روشن‌تری از اهمیت دستاورد برندگان نوبل شیمی ۲۰۲۵ به دست آید.
ساختار و اصول پایه MOFچارچوب‌های فلزی–آلی از دو جزء اصلی تشکیل شده‌اند: گره‌های فلزی و لینگاندهای آلی.گره‌های فلزی معمولاً یون‌ها یا خوشه‌های فلزی هستند که به‌عنوان نقاط اتصال در شبکه عمل می‌کنند. در مقابل، لینگاندهای آلی مولکول‌هایی‌اند که دارای چند نقطه اتصال—مانند گروه‌های کربوکسیلات، آمینو یا بازهای آلی—هستند و میان گره‌های فلزی پیوند برقرار می‌کنند.پیوندهای شیمیایی میان فلز و لیگاند منجر به تشکیل ساختاری بلوری و شبکه‌ای می‌شود که درون آن حفره‌هایی منظم وجود دارد. این فضاهای خالی می‌توانند اندازه‌ها و اشکال متفاوتی داشته باشند، از مقیاس نانومتری تا ساختارهای بزرگ‌تر. وجود چنین حفره‌هایی باعث می‌شود که سطح داخلی MOFها بسیار وسیع باشد و قابلیت جذب و انتقال مولکول‌ها در آن‌ها افزایش یابد.مزیت‌ها و تفاوت با مواد متخلخل سنتیساختارهای MOF نسبت به مواد متخلخل سنتی مانند زئولیت‌ها و کربن‌های فعال، مزایای قابل توجهی دارند. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های آن‌ها تنظیم‌پذیری بالا است؛ یعنی با تغییر نوع فلز یا لینگاند می‌توان ویژگی‌هایی چون قطبیت، اندازه حفره یا واکنش‌پذیری سطحی را کنترل کرد.
همچنین، برندگان نوبل نقش کلیدی در افزایش پایداری ساختاری این مواد داشتند. آنان توانستند چارچوب‌هایی طراحی کنند که در برابر شکست ساختاری یا انسداد حفره‌ها مقاوم باشند. در کنار این، MOFها دارای تخلخل بسیار زیاد هستند؛ به‌طوری‌که سطح داخلی برخی از آن‌ها در واحد جرم، معادل چند زمین فوتبال است.تکامل تاریخی دستاوردنخستین گام در این مسیر را «رابسون» برداشت؛ او ایده‌ی ساخت ساختارهای شبکه‌ای مملو از فضاهای خالی را مطرح کرد و توانست ترکیب‌هایی از یون مس و لیگاندهای چهاربازویی بسازد. پس از او، «کیتاگاوا» نشان داد که این ساختارها قادرند گازها را درون خود جذب و سپس آزاد کنند و حتی می‌توانند خاصیت انعطاف‌پذیری داشته باشند.در ادامه، «یاغی» با نگاه نو به شیمی شبکه‌ای، مفهوم «واحدهای ساختمانی ثانویه» را معرفی کرد تا ساختارهایی پیچیده‌تر و در عین حال پایدارتر ایجاد شود. دستاورد او موجب شد که MOFها از ساختارهای آزمایشگاهی ساده به موادی با قابلیت طراحی و کارکرد صنعتی ارتقا یابند. پس از این تحولات، پژوهشگران سراسر جهان هزاران نوع MOF مختلف ساختند و کاربردهای گسترده‌ی آن‌ها را در جذب گازها، ذخیره انرژی و کاتالیز واکنش‌ها بررسی کردند.
منبع: فارس
مطالب مرتبط
