أعلنت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم سوسومو كيتاجاوا، وريتشارد روبسون، وعمر م. ياغي كفائزين بجائزة نوبل في الكيمياء لتطويرهم أطرًا معدنية عضوية، تُعرف باسم MOFs. تُقدّر لجنة التحكيم إسهامهم الذي مهّد الطريق لتصميم مواد ذات خصائص قابلة للضبط بدقة.
يكافئ هذا القرار فكرة قوية: بناء شبكات واضحة للغاية مع تجاويف داخلية ضخمة حيث يمكن للجزيئات الدخول والخروج بحرية. بفضل هذه البنية المسامية، يمكن استخدام الأطر العضوية المعدنية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون، واستخلاص الماء من الهواء في البيئات القاحلة، وتخزين الغازات الخطرة، أو إدارة التفاعلات الكيميائية بكفاءة عالية؛ وتبلغ تكلفة المعدات 11 مليون ريال سعودي، يتم توزيعها بين الفائزين الثلاثة.
من هم وما هي الجوائز التي يتم منحها
كيتاغاوا (جامعة كيوتو)، روبسون (جامعة ملبورن)، وياغي (جامعة كاليفورنيا، بيركلي) يُعترف بهم لترسيخهم أسلوبًا جديدًا للتفكير في المادة: تجميع أيونات معدنية وروابط عضوية لإنشاء شبكات ثلاثية الأبعاد ذات قنوات ومسام مُخصصة. تُؤكد الأكاديمية أن هذا النهج يُوفر للكيميائيين أدوات ملموسة لمواجهة التحديات العالمية مثل التقاط ثاني أكسيد الكربون أو ندرة المياه العذبة.
وتؤكد لجنة نوبل أن هذه المواد تقدم وظائف حسب الطلببفضل مساحتها الداخلية الهائلة وقدرتها على ضبط تركيبها الكيميائي بدقة. ووفقًا للقائمين على التقييم، فإنها تتيح لنا تصور حلول عملية بدت وكأنها خيال علمي قبل بضع سنوات فقط.
وقد أكدت أصوات من المجال الأكاديمي على نطاق هذا المجال: حيث سلط الباحثون الذين تعاونوا مع الحائزين على الجوائز الضوء على أن الأطر العضوية المعدنية هي مواد متعددة الاستخدامات مع تأثير محتمل على الطاقة والبيئة والصحة، وقد أدى تطويره إلى تغيير الطريقة التي يتم بها تصور المواد الصلبة المسامية.
كما قام العلماء الثلاثة، وهم من القادة الدوليين في هذا المجال، بالترويج لـ مجتمع بحثي نشط للغاية في جميع أنحاء العالم، مع مئات المختبرات التي تنتج عشرات الآلاف من المتغيرات الهيكلية لتطبيقات محددة.
ما هي MOFs ولماذا هي مهمة؟
MOFs (الأطر المعدنية العضوية) عبارة عن شبكات بلورية حيث العقد المعدنية ترتبط هذه الجزيئات بروابط عضوية طويلة، لتشكل ما يشبه سقالة ثلاثية الأبعاد. يُولّد هذا الهيكل مسامًا بأحجام وأشكال هندسية مختلفة تستوعب الغازات والجزيئات الأخرى، مع تحكم دقيق في ما يدخل ويخرج وكيف يتفاعل.
تكمن نعمة النظام في قابليته للتكيف: عن طريق تغيير المعدن أو الرابط العضوي، الخصائص الكيميائية والفيزيائية من الشبكة. تتيح هذه القدرة على التخصيص، على سبيل المثال، تعزيز امتصاص ثاني أكسيد الكربون، وتسهيل التفاعلات التحفيزية، أو استهداف ملوثات المياه الثابتة بشكل انتقائي.
من الناحية العملية، تظهر المادة على شكل بلورات صغيرة، بمظهر حبة ملح، ولكن مع سطح داخلي ضخم إذا تم قياسها بواسطة كتلة الوحدة، فإن مساحة السطح هذه هي التي تجعل من الممكن تخزين كميات كبيرة من الغاز أو المحفزات المنزلية بكفاءة عالية.
القياس الشائع هو أن ننظر إلى هذه المواد على أنها مبنى به غرف للجزيئات:اعتمادًا على "الأرضية" المختارة (المعادن والربيطات)، يوفر المبنى غرفًا أكبر أو ممرات أضيق أو جدرانًا نشطة تتفاعل مع ما يدخل.
من السقالة الأولى إلى المواد المستقرة
نقطة البداية كانت في عام 1989، عندما قام ريتشارد روبسون بدمج أيونات النحاس باستخدام جزيء رباعي الأذرع، حصلنا على بلورة منظمة وواسعة، مليئة بالتجاويف الداخلية. أظهر هذا الهيكل إمكانيات هذا النهج، لكنه أثبت هشاشته وانهار بسهولة خارج المذيب.
بين عامي 1992 و2003، أثبت سوسومو كيتاجاوا أن الغازات يمكن أن ادخل واخرج وقد كان الهدف من هذه الدراسة هو تطوير الشبكات دون تدميرها وتوقع إمكانية تزويدها بالمرونة البنيوية، وهي خاصية أساسية لتمكينها من التفاعل بذكاء مع التغيرات في البيئة.
وبالتوازي مع ذلك، حصل عمر م. ياغي على شهادة الماجستير في المالية استقرار كبير ووضع مبادئ تصميم منطقية لدمج الوظائف المطلوبة في المسام. كما عرضت مجموعته أجهزة قادرة على جمع الماء من هواء الصحراء عن طريق استغلال رطوبة الليل وإطلاقه مع دفء الفجر.
بفضل هذه التطورات، انتقل المجال من النماذج الأولية الهشة إلى منصات قوية وقابلة للتطوير، مما يفتح الباب أمام التطبيق الصناعي والتجارب التجريبية في تكنولوجيات الطاقة والبيئة والكيمياء.
التطبيقات والتحديات المستقبلية
قائمة الاستخدامات المحتملة واسعة النطاق: التقاط ثاني أكسيد الكربون من المجاري الصناعية أو مباشرة من الهواء، وتخزين الهيدروجين والغازات الأخرى، وفصل المركبات الثابتة مثل PFAS في الماء، أو تحلل بقايا الأدوية في البيئة المائية.
هناك أطر عضوية معدنية تحتفظ بغاز الإيثيلين إبطاء النضج بعضها مصنوع من الفاكهة، والبعض الآخر يحتوي على إنزيمات تُزيل آثار المضادات الحيوية، وبعضها الآخر يعمل كحواجز لإدارة الغازات السامة في العمليات الصناعية. كل هذا يعتمد على القدرة على تعديل هندسة المسام وتركيبها الكيميائي.
ويؤكد خبراء من المراكز الأوروبية الرائدة أن هذه التكنولوجيا قد عززت طرق مختلفة لتصميم المواديجمع هذا النظام بين استقرار كيمياء المعادن وتعدد استخدامات الكيمياء العضوية. وتعمل الشركات والمختبرات بالفعل على توسيع نطاقه ودمجه مع الأجهزة العملية.
لا تزال هناك تحديات تحتاج إلى حل، مثل تحسين المتانة في ظل الظروف الصعبة، وخفض تكاليف الإنتاج وتحسين الانتقائية والتجديد في دورات متكررة؛ ومع ذلك، فإن إثباتات المفهوم والنشر المبكر واعدة.
إن تكريم كيتاجاوا وروبسون وياغي يجسد عقدًا من الإنجازات التي غيرت وجه علم المواد: استراتيجية معيارية لإنشاء مواد صلبة مسامية ذات وظائف مصممة خصيصًا والتي تجد طريقها بالفعل إلى حلول لتغير المناخ وإدارة المياه والكيمياء المستدامة.
