ثلاثة علماء تم منحها جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 لاكتشاف شكل جديد من الهندسة الجزيئية: البلورات التي تحتوي على تجاويف كبيرة.

سوسومو كيتاجاوا من جامعة كيوتو باليابان، ريتشارد روبسون من جامعة ملبورن، أستراليا، و عمر محمد ياغي من
وستتقاسم جامعة كاليفورنيا، بيركلي، في الولايات المتحدة، جائزة قدرها 11 مليون كرونة سويدية (870 ألف جنيه إسترليني).

تعترف الجائزة بالمساهمات الرائدة للعلماء الثلاثة في تطوير ما يسمى الأطر المعدنية العضوية (Mofs).

Mofs هي فئة متنوعة من المواد البلورية التي جذبت الكثير من الاهتمام في الكيمياء بسبب وجود تجاويف مجهرية مفتوحة في بنيتها. إنهم يساعدون في إحداث ثورة في التكنولوجيا الخضراء، مثل حصاد المياه من هواء الصحراء واحتجاز ثاني أكسيد الكربون.

يمكن أن يتراوح عرض التجاويف من بضعة أنجستروم (الأنجستروم هي وحدة طول تساوي جزءًا من مائة مليون من السنتيمتر) إلى عدة نانومترات (جزء من مليون من المليمتر). وهذا يعني أنها أصغر بكثير من أن تُرى بالعين المجردة أو حتى بمعظم أشكال المجاهر. لكنها ذات حجم مثالي لإيواء الجزيئات المختلفة.

يمكن إرجاع تطور Mofs إلى أواخر الخمسينيات من القرن الماضي عندما بدأ الباحثون في اكتشافه “البوليمرات التنسيقية”. هذه هي المواد التي تتكون من سلاسل مترابطة من أيونات المعادن (الذرات التي فقدت أو اكتسبت إلكترونات) وجزيئات الجسور القائمة على الكربون والمعروفة باسم الروابط.

لم تكن هذه المواد تحتوي على تجاويف، لكنها كانت مبنية على نفس الكيمياء العضوية المعدنية التي أدت لاحقًا إلى ظهور Mofs.

في أواخر الثمانينيات، أفاد فريق روبسون البحثي أنه يمكن تحضير بعض بوليمرات التنسيق كهياكل تشبه الإطار، حيث تشكل الروابط القائمة على الكربون، بشكل حاسم، ترتيبات ثلاثية الأبعاد حول مجموعات من جزيئات المذيبات السائلة.

كما ذكر في روبسون مقالة بحثيةكشف هذا عن “حالة غير عادية حيث يكون ما يقرب من ثلثي محتويات ما هو بلا شك بلورة سائلة بشكل فعال”.

وفي منتصف أواخر التسعينيات، أثبتت مجموعة ياغي أنه من الممكن تحضير بوليمرات تنسيقية تحتفظ ببنيتها حتى بعد إزالة جزيئات المذيب من التجاويف.

وكانت هذه نتيجة مفاجئة، حيث بددت الافتراض السائد بأن مثل هذه الأطر هشة وسوف تنهار إذا تمت إزالة المذيب.

في عام 1997، أظهر فريق كيتيجاوا البحثي أنه يمكن استخدام التجاويف المفتوحة لامتصاص جزيئات الغاز. وأظهر أيضًا أنه في كثير من الحالات، يتوسع الإطار نفسه عندما يتم امتصاص جزيئات الغاز فيه، وينكمش عند إطلاقها. أصبحت بوليمرات التنسيق هذه ذات التجاويف المفتوحة الدائمة تُعرف باسم Mofs.

كانت اكتشافات العلماء الثلاثة بمثابة علامة فارقة على ميلاد كيمياء Mof الحديثة، حيث نُشرت آلاف المقالات البحثية عنها منذ ذلك الحين.

مجموعة واسعة من التطبيقات

لماذا يعتبر Mofs مثيرًا للاهتمام بالنسبة للكيميائيين؟ توفر التجاويف المجهرية داخل Mofs موقعًا فريدًا ويمكن التحكم فيه لإجراء الكيمياء.

التطبيق الرئيسي لـ Mofs هو تخزين الغاز. في كثير من الحالات، يمكن لهذه المواد أن تحتوي على غازات بكثافة أعلى بكثير من حالتها الغازية الحرة.

وهذا يوفر مزايا كبيرة للتكنولوجيات الخضراء مثل المركبات التي تعمل بخلايا الوقود، حيث يجب نقل وقود الهيدروجين بأكبر قدر ممكن من الكفاءة.

تعمل العديد من Mofs بشكل جيد بشكل خاص مع غازات معينة، مما يعني أنها يمكن أن تساعد أيضًا في فصل مخاليط الغاز في مجاري العادم أو احتجاز ثاني أكسيد الكربون من الهواء للتخفيف من آثار الاحتباس الحراري.

يمكن أن تعمل Mofs أيضًا كمحفزات فعالة للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في التجاويف. إحدى المزايا الرئيسية لـ Mofs كعوامل محفزة هي أنه من السهل نسبيًا على الكيميائيين تبديل وتبديل المعادن والروابط القائمة على الكربون من أجل ضبط الخصائص لغرض معين.

بالإضافة إلى جزيئات الغاز، يمكن أن تستوعب Mofs جزيئات صغيرة أخرى، مثل المستحضرات الصيدلانية. وهذا يعني أنه يمكن استخدامها لتخزين وتوصيل الأدوية إلى هدف معين، حيث تسمح طبيعتها المسامية بإطلاق المواد الكيميائية العلاجية بشكل متحكم فيه.

في السنوات الأخيرة، أظهرت Mofs نتائج واعدة في العديد من التطبيقات الأخرى، بما في ذلك البطاريات وتخزين الطاقة الحرارية وأجهزة الاستشعار الكيميائية (الأجهزة التي يمكنها مراقبة وكشف المواد الكيميائية مثل الملوثات). ومن المثير أنه لا تزال هناك العديد من التطبيقات الأخرى التي لم يتم استكشافها بعد.

على الرغم من اكتشافه منذ أكثر من ثلاثة عقود، إلا أن Mofs لا يزال أحد أهم مجالات البحث في كيمياء المواد، ولا شك أنه سيظل كذلك لسنوات عديدة قادمة.

جون جريفينأستاذ في كيمياء المواد, جامعة لانكستر

أعيد نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.