Рига: -13.9°С
Заря новой эры: Материалы против Кремния
Человечество издавна маркировало свои исторические периоды по доминирующему материалу — от Каменного века до Бронзового, а сегодня мы живем в Кремниевую эру, полностью зависящую от компьютеров и смартфонов. Однако нобелевский лауреат по химии Омар Ягхи убежден, что наступает время, когда определяющую роль сыграют материалы, которые по своим характеристикам кажутся почти фантастическими. Профессор Калифорнийского университета в Беркли, разделивший Нобелевскую премию по химии 2025 года, видит в своих разработках — металл-органических каркасах (MOF) — основу для следующей крупной цивилизационной вехи.
Ягхи, один из основателей так называемой «реституционной химии», получил высшее научное признание вместе с Сусуму Китагавой и Ричардом Робсоном за создание этих уникальных пористых структур. Вклад ученого состоит не только в получении этих соединений, но и в разработке методов их синтеза, позволяющих проектировать материалы «молекула за молекулой», подобно строительству или программированию конструктора Lego на атомарном уровне.
Феномен пористости: «Домики для молекул»
Суть революции, по мнению Ягхи, заключается в беспрецедентной пористости MOF. Эти гибридные кристаллические материалы состоят из соединенных в строго повторяющемся порядке атомов или кластеров металлов и органических молекул (лигандов). Их структура напоминает своеобразные трехмерные решетки с огромным количеством внутренних пустот, что и дало им неофициальное название «домики для молекул».
Первый громкий успех в этой области был достигнут еще в 1999 году, когда лаборатория Ягхи синтезировала материал MOF-5. Его внутренняя поверхность оказалась настолько обширной, что всего несколько граммов этого вещества могли сравниться по площади поверхности с крупным футбольным полем. Как отмечают эксперты, эти полости — это не просто пустота, это функциональное пространство, которое можно настраивать для избирательного захвата и удержания других молекул.
«Моя работа заключается в создании новых материалов с новыми функциями. Для ученого — это настоящая суть науки: принимать вызов, делать что-то новое», — подчеркивал Омар Ягхи, говоря о своей тридцатилетней работе в этой области.
Это достижение, которое Нобелевский комитет назвал созданием «молекулярных конструкций с большими пространствами, через которые могут протекать газы и другие химические вещества», открыло ранее невиданные возможности для инженерии материалов.
Решение глобальных проблем: Вода, воздух и энергия
Оптимизм Ягхи относительно смены эпох основан на прямом приложении этих материалов для решения острейших мировых вызовов. Способность MOF избирательно взаимодействовать с газами и жидкостями делает их идеальными кандидатами для нескольких критически важных направлений.
Одним из самых впечатляющих применений является сбор воды из атмосферы. Технология, основанная на MOF, уже продемонстрировала свою эффективность в экстремально засушливых условиях, например, в Долине Смерти в Калифорнии. Прототипы таких установок, по словам ученых, способны производить до 100 литров чистой воды в день, с потенциалом увеличения этой производительности до 2000 литров в день при промышленных масштабах. Эта разработка способна обеспечить доступ к воде не только в засушливых регионах, но и там, где вода есть, но она загрязнена.
Кроме того, MOF активно исследуются в контексте борьбы с изменением климата. Их пористая структура позволяет эффективно улавливать и хранить углекислый газ (CO2), выделяемый промышленными предприятиями и электростанциями. Эта функция рассматривается как ключевое направление в технологиях по контролю за выбросами парниковых газов.
Также потенциал каркасов изучается для хранения водорода — перспективного носителя чистой энергии. В отличие от традиционных методов, MOF могут безопасно и в больших объемах удерживать молекулы водорода в малом объеме, что критически важно для развития водородного транспорта и энергетики.
От академического вызова к промышленной реальности
Путь от фундаментального исследования к промышленному внедрению MOF был долгим. В начале 2000-х годов Омар Ягхи продемонстрировал возможность создания целых семейств металлоорганических материалов, варьируя их состав и получая материалы с различными характеристиками. В 1995 году он опубликовал знаковую статью о гидротермальном синтезе каркаса с большими прямоугольными каналами, заложив основу для дальнейших работ.
Сегодня наука о MOF изучается более чем в ста странах, а ее применение переходит на индустриальный уровень. Недавно стало известно о компании Atoco, основанной самим Ягхи, которая нацелена на коммерческий запуск технологии сбора воды из воздуха в течение ближайшего года. Планируется выпуск контейнерных установок, способных производить тысячи литров воды ежедневно, что может стать прорывным решением для сельского хозяйства в засушливых районах.
Помимо водоснабжения, MOF используются для создания:
- Устройств для извлечения критически важных минералов из сточных вод.
- Химических сенсоров для медицинской диагностики и экологического мониторинга.
- Сверхпроводников и материалов для нового поколения аккумуляторов и суперконденсаторов (исследования показали возможность увеличения электропроводности некоторых MOF в 10 000 раз).
Взгляд в будущее: За пределами Кремния
Профессор Ягхи, лауреат множества престижных наград, включая премию Кинга Фейсала и премию Танга, а также обладатель гражданства Саудовской Аравии за научные заслуги, часто подчеркивает, что его первоначальной мотивацией было решение интеллектуальных, а не социальных задач. Однако именно научная дерзость привела к созданию инструментов, способных изменить социальный ландшафт.
Признание, выраженное в Нобелевской премии 2025 года, лишь закрепило статус MOF как прорывной технологии. В то время как Кремниевая эра подарила нам цифровую революцию, эпоха, по мнению Ягхи, будет определяться реституционной химией — способностью точно конструировать материю для устойчивого будущего. Эта способность создавать «материалы с новыми функциями» может означать переход от цифровизации к материализации устойчивости, что в конечном итоге и изменит цивилизацию на фундаментальном уровне. Подобно тому, как в прошлом века перешли от бронзы к кремнию, сегодня мы стоим на пороге века, где господствовать будут настраиваемые, «умные» молекулярные конструкции.
Следите за новостями на других платформах: