Новини |
Нобелівський тиждень КНУ 2025: хімія |
|
---|---|
Триває Нобелівський тиждень КНУ 8 жовтня Шведська королівська академія наук назвала імена лауреатів Нобелівської премії з хімії 2025 року. Накреслену ще торік «ШІ-лінію» комітет змінив на не менш актуальну – матеріали майбутнього. Премію отримали Сусуму Кітагава, Річард Робсон та Омар Ягі – «за розробку метал-органічних каркасних структур» (МОК, англ. MOF – Metal-Organic Frameworks). «Метал-органічні каркаси мають величезний потенціал, відкриваючи небачені раніше можливості для створення матеріалів із новими функціями на замовлення», – , голова Нобелівського комітету з хімії. Учені створили унікальні кристалічні сполуки, усередині яких існує система впорядкованих порожнин і каналів. Через них невеликі молекули можуть не лише проходити, а й тимчасово утримуватися, взаємодіяти або навіть перетворюватися. Такі каркаси можна уявити не як «ворота», а радше як інтелектуальні кристалічні губки, що вибірково вбирають, зберігають і вивільняють різні речовини – від води до газів, органічних сполук чи іонів металів. До того, у цих порожнинах можуть відбуватися хімічні реакції, оскільки низка МОК мають каталітичні властивості. Вони вже стали основою для нових напрямів у хімічній енергетиці, зелених технологіях і навіть у біомедицині – для адресного доставляння лікарських речовин або створення сенсорів. Про рішення Нобелівського комітету та про те, як «порожній простір» усередині кристалів може допомогти вирішити глобальні проблеми людства, розповідають завідувач кафедри фізичної хімії, доктор хімічних наук, академік НАН України Ігор Фрицький та директор ННІ високих технологій, доктор хімічних наук, професор Ігор Комаров. «Це визнання титанічної праці в галузі, яка протягом останніх трьох десятиліть із академічної екзотики перетворилася на одну з найдинамічніших у сучасному матеріалознавстві, – зазначає Ігор Фрицький. – МОК – це справжні кристалічні губки з програмованими властивостями, зібрані з молекулярних компонентів. Вони складаються з іонів металів, з’єднаних органічними “ланцюжками” у регулярні тривимірні структури. Завдяки цій архітектурі вони можуть селективно вбирати, зберігати, віддавати та перетворювати речовини, діючи як своєрідні мініатюрні реактори». Річард Робсон ще у 1974 році, працюючи з дерев’яними моделями, математично передбачив можливість побудови таких каркасів, а вже в 1989 році експериментально отримав перші сполуки цього типу. Сусуму Кітагава на початку 1990-х показав, що МОК здатні зворотно поглинати гази, а згодом створив так звані «дихаючі» каркаси, що змінюють свою структуру під дією зовнішніх чинників. Омар Ягі у 1999 році синтезував стабільний і надзвичайно пористий матеріал MOF-5 на основі цинку – саме він уперше продемонстрував потенціал МОК для зберігання водню. У 2019 році в пустелі Мохаве (США) вчений провів відомий експеримент із каркасом MOF-303, який здатен поглинати до 0,7 л води на добу з повітря в розрахунку на один кілограм матеріалу. Ці відкриття започаткували епоху практичного застосування МОК – від видобування води з пустельного повітря до зберігання водню, уловлювання CO2 та очищення газових сумішей. «Термін “будівельний блок” у хімії має дуже чітке та зрозуміле значення, – коментує Ігор Комаров. – Приблизно десять років тому ми з колегою Олександром Григоренком, який нині очолює кафедру органічної хімії Хімічного факультету КНУ, написали статтю у Вікіпедію саме про цей термін. Навіть зробили власноруч фото – конструкцію з дерев’яних фігурок мого тоді восьмирічного сина. Тож у нашому визначенні будівельний блок – це термін у хімії, який описує віртуальний молекулярний фрагмент або реальну хімічну сполуку, молекули якої мають реакційноздатні функціональні групи. Такі блоки використовують для модульного конструювання молекулярних архітектур: наночастинок, металоорганічних каркасів, органічних молекулярних конструкцій і супрамолекулярних комплексів. Використання будівельних блоків дозволяє суворо контролювати, якою буде кінцева сполука або супрамолекулярна конструкція». Саме цьогорічні Нобелівські лауреати – Річард Робсон, Сусуму Кітагава та Омар Ягі – чітко сформулювали концепцію таких «будівельних блоків», у яких один із компонентів є йоном металу, а інші – органічними молекулами. І головне – вони не лише висловили ідею, а й втілили її в життя, створивши реальні металоорганічні каркасні структури (MOF) та дослідивши їх унікальні властивості. «Ключовий момент у створенні МОК – це раціональний дизайн, – підкреслює Ігор Фрицький. – Ми не просто змішуємо речовини й дивимося, що вийде. Ми, як архітектори, проєктуємо каркас із потрібним розміром пор і хімічними властивостями, функціональністю і навіть “поведінкою” матеріалу. Це вже не просто наука, а новий спосіб мислення в хімії – коли матеріали створюються не емпірично, а через точне проєктування. І саме тут, на мою думку, поєднання раціонального дизайну з технологіями штучного інтелекту та машинного навчання дозволить зробити цей процес більш передбачуваним, продуктивним і швидким. Якщо полімери XX століття справили революцію, змінивши наше життя, то МОК можуть стати матеріалами XXI століття – настільки ж повсюдними і водночас функціонально унікальними». Ігор Комаров також відзначив, що Нобелівською премією вже не вперше вшановують відкриття каркасних молекулярних структур – достатньо згадати фулерени та графени. Він сподівається, що відкриття українського та американського науковця Юрія Гогоці також отримає це визнання. Професор Гогоці і його колеги відкрили інший клас сполук – максени, до складу яких також входять йони металів. Ці структури, як і МОК, мають унікальні властивості, що відкривають шлях до нових технологій майбутнього. У Київському національному університеті імені Тараса Шевченка дослідження у цій галузі ведуться уже не перший рік. Особливо цікаві результати отримано в групі доктора хімічних наук Костянтина Домасевича, який понад 25 років займається дизайном та одержанням оригінальних МОК із різноманітними функціональними властивостями, а також вивченням їхніх структурних особливостей. Крім того, метал-органічні каркаси активно досліджуються молодими докторами наук кафедри фізичної хімії Іллею Гуральським та Максимом Середюком. Їхні сполуки вирізняються ще однією захопливою властивістю – вони здатні змінювати свій колір під час поглинання певних молекул. Іншими словами, коли такі МОК «вдихають» газ або невеликі органічні молекули, вони реагують на це видимим сигналом, змінюючи відтінок чи насиченість кольору. Це явище відкриває шлях до створення «розумних» матеріалів, здатних реагувати на зміни довкілля, виявляти шкідливі речовини у повітрі та працювати як хімічні детектори нового покоління. «А крім усього іншого, – зазначає Ігор Фрицький, – МОК – це ще й неймовірна краса. Якщо подивитися на їхні візерунки, які народжуються на екранах комп’ютерів, що нагадують мереживо чи вітраж і відкривають цілий всесвіт симетрій та форм, – перед нами справжні витвори мистецтва на молекулярному рівні. Іноді здається, що вчені, які створюють ці структури, відчувають те саме натхнення, що й художники. Коли я розмірковую над дизайном МОК – над проєктуванням досконалих структур із найменших компонентів, – мені часто пригадується епізод із казки Ганса Крістіана Андерсена “Снігова королева”, де Кай мав скласти з уламків льоду слово “вічність”, щоб стати господарем самого себе й отримати у подарунок увесь світ. Це та ж сама праця пошуку ідеальної форми серед хаосу. Можливо, створюючи МОК – ці ідеальні кристалічні візерунки, що поєднують холодну точність математики з живою поезією матерії, – наука також складає власне слово “вічність”. І коли ця мозаїка складеться, людство справді отримає свій світ – чистий, сталий, гармонійний, світ нових матеріалів, можливостей і свободи людського розуму». Вітаємо лауреатів із відкриттям, яке не лише збагатило хімію новим класом речовин, а й дало людству інструменти для боротьби з посухою, забрудненням довкілля та енергетичними викликами. МОК – це не просто «матеріали майбутнього», а вже сьогодні – фундамент екологічно безпечної, технологічної цивілізації завтрашнього дня.
Нобелівський тиждень у КНУ – це серія коментарів КНУ-експертів про цьогорічні премії з фізіології та медицини, фізики, хімії, літератури, миру та економіки.
За матеріалами Хімічного факультету та ННІ високих технологій Ілюстрації: Олена Лисак, Центр комунікацій КНУ; Нобелівський комітет; Ігор Комаров та Ігор Фрицький
|
© Всі права захищені 1995-2025