Metallorganiska ramverk revolutionerar kemin – årets Nobelpristagare hyllas
Nobelkommitténs ordförande Heiner Linke drar en fascinerande parallell mellan årets kemipris och fantasivärldens magi. Han liknar uppfinningen vid Hermiones handväska från Harry Potter-böckerna – ett till synes litet objekt som rymmer ofattbara mängder innehåll. Men till skillnad från fiktionens värld har årets kemipristagare skapat något som faktiskt existerar och har potential att lösa flera av vår tids stora utmaningar.
De tre forskarna – Omar Yaghi, Richard Robson och Susumu Kitagawa – belönas för utvecklingen av metallorganiska ramverk, på engelska förkortat MOF (metal-organic framework). Dessa skräddarsydda kristallstrukturer innehåller mängder av mikroskopiska hålrum som skapar enorma inre ytor där olika ämnen kan fångas upp eller kemiska reaktioner kan påskyndas.
Den praktiska tillämpningen är imponerande. Ett enda gram av vissa MOF-material kan ha en total yta motsvarande en hel fotbollsplan. Detta gör dem idealiska för allt från vattenutvinning i torra ökenområden till effektiv vätelagring, miljösanering och precisionsleverans av läkemedel i kroppen.
Idén föddes genom ett vardagligt undervisningsmoment. Richard Robson, som nu är professor vid universitetet i Melbourne i Australien, förberedde en lektion där hans studenter skulle bygga molekylmodeller med träkulor och pinnar. Han insåg då att hålrummens placering var avgörande för strukturen, och att liknande ramverk kunde bildas naturligt om rätt ämnen fick reagera med varandra.
Detta ledde så småningom till skapandet av det första metallorganiska ramverket, som byggdes upp av kopparjoner sammanbundna av organiska molekyler. Kopparjonerna fungerade som ”träkulor” och de organiska molekylerna som ”pinnar” mellan dem. Dock var denna första struktur relativt instabil.
Det dröjde till 1995 innan begreppet MOF etablerades genom Omar Yaghis banbrytande arbete. Han publicerade då en artikel som beskrev ett material som kunde motstå temperaturer upp till 350 grader Celsius utan att förstöras. Samtidigt utvecklade den japanska forskaren Susumu Kitagawa MOF-material som både kunde binda olika gaser och var flexibla.
Sedan dess har utvecklingen accelererat dramatiskt. Forskare världen över har framställt tiotusentals olika MOF-varianter genom att kombinera olika metalljoner och organiska molekyler. Genom att ändra faktorer som temperatur eller pH-värde kan dessa material både fånga in och frigöra specifika ämnen vid önskade tillfällen.
En av de mest lovande tillämpningarna är vattenutvinning ur luften. I torra regioner med vattenbrist kan MOF-teknologin potentiellt förse samhällen med livsviktigt dricksvatten. Det finns också varianter som effektivt kan absorbera koldioxid och olika miljögifter, vilket gör dem till viktiga verktyg i kampen mot klimatförändringar och miljöföroreningar.
Men finns det risker med denna nya teknologi? Olof Ramström, professor i organisk kemi och ledamot i Nobelkommittén, förklarar att MOF-material generellt är designade för att vara nedbrytbara och återvinningsbara, till skillnad från exempelvis PFAS-ämnen som orsakat miljöproblem. Samtidigt manar han till fortsatt vaksamhet eftersom variationsmöjligheterna för MOF-material är närmast oändliga och vissa varianter kan vara mer beständiga än andra.
Årets kemipristagare representerar tre kontinenter och olika karriärvägar. Omar Yaghi, född 1965 i en palestinsk familj i Jordanien, är idag verksam vid University of California, Berkeley. Richard Robson, född 1937 i Storbritannien, har arbetat vid universitetet i Melbourne sedan 1966. Susumu Kitagawa, född 1951 i Kyoto, Japan, är professor vid Kyoto universitet sedan 1998.
Tillsammans har de tre forskarna lagt grunden till ett forskningsfält som redan idag skapar praktiska lösningar på globala utmaningar och som sannolikt kommer att spela en nyckelroll i framtidens materialteknik och miljöarbete. Deras upptäckt visar hur grundforskning inom kemin kan leda till innovationer som påverkar hela samhället – från rent vatten i torra regioner till effektivare läkemedel och minskade koldioxidutsläpp.
20 kommentarer
Det är intressant att höra om de praktiska tillämpningarna av dessa material. Kan de även användas inom gruvdrift eller mineralbearbetning?
Inom metallurgi är det absolut möjligt, men det bör forskas mer först.
Vad tycker ni om att de jämför detta material med Hermiones magiska väska? Det verkar som en bra metafor för att förklara dess kapacitet.
Jag tror att det hjälper till att göra det mer förståeligt för allmänheten.
En bra metafor kan verkligen binda ihop tekniska koncept till en bredare publik.
Det är fascinerande hur dessa MOF-material kan användas inom så många skilda områden, från vattenutvinning till läkemedelsforskning.
Hoppas att vi snart ser kommersiella tillämpningar av detta.
Ja, det verkar verkligen vara en teknik med stor potential.
En hel fotbollsplan i yta från ett enda gram material? Det låter nästan för bra för att vara sant.
Tror du att det finns någon begränsning i skalan eller störningar när man använder så små men ytmässigt stora strukturer?
En teknik som kan effektivisera läkemedelsleverans och samma typ av material kan ta ur vatten från luften? Det gör mig nyfiken hur många användningsområden det finns.
Ja, det verkar som att MOF-material kan anpassas för så mycket.
Vätelagring är en viktig fråga för framtidens energiförsörjning. Hoppas att MOF-material kan vara en del av lösningen.
Just det, energilagring är en av de stora utmaningarna vi står inför.
Det här låter som en av de mest lovande kemiska upptäckterna på länge. Lika impressionerande som det är intressant.
Absolut. Nobelpriset i kemi går inte sällan till något som är verkligt banbrytande.
När kommer vi se dessa MOF-material tillgängliga för allmänheten? Det skulle vara viktigt för att tackla vattenbrist och andra miljöproblem.
Det kan ta några år, men forskningen verkar gå framåt.
Förhoppningsvis kan dessa material bidra till att lösa några av dagens mest pressande miljöfrågor.
Det skulle vara stort steg om det fungerar så bra som det verkar lova.