9 دقیقه
جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۵ به سه دانشمند تعلق گرفت که مسیر جدیدی در طراحی مواد بلوری با حفرههای پایدار و قابل تنظیم باز کردند: چارچوب‌های فلزی-آلی، معروف به MOF. این مواد با فضای داخلی میکروسکوپی و خواص قابل تغییر، وعدهٔ کاربردهای فراگیر در انرژی، محیط‌زیست و پزشکی را می‌دهند.
چطور یک ایده ساده به انقلاب مواد منجر شد؟
ریشه‌های شیمی MOF به کارهای اولیه روی پلیمرهای هماهنگی (coordination polymers) در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ بازمی‌گردد، جایی که یونهای فلزی با مولکولهای آلی به‌عنوان لینککننده متصل می‌شدند. آن مواد اولیه فضای داخلی قابل استفاده نداشتند، اما زیرساخت شیمیایی لازم برای طراحی چارچوب‌های بعدی را فراهم کردند. در دههٔ ۱۹۸۰ گروه ریچارد رابسون نشان داد که بعضی از این پلیمرها میتوانند به بلورهایی تبدیل شوند که مولکولهای آلی، قفس‌های سه‌بعدی پیرامون خوشه‌هایی از حلال ایجاد میکنند؛ کشفی که نشان داد بلورها هم میتوانند «فضای داخلی» داشته باشند.
در دههٔ ۱۹۹۰ اکتشاف‌های کلیدی اتفاق افتاد: عمر یاغی و همکارانش نشان دادند که برخی از این چارچوب‌ها پس از حذف حلال همچنان پایدار می‌مانند — یعنی برخلاف انتظار، با خالی شدن فرو نمی‌ریزند. در همان زمان سوسومو کیتاگا نشان داد این حفرههای خالی میتوانند به‌طور انتخابی مولکولهای گازی را جذب کنند و حتی در واکنش به ورود و خروج مهمان‌ها انقباض و انبساط برگشت‌پذیر نشان دهند. این مجموعه دستاوردها بنیان شیمی مدرن MOF را شکل داد و نشان داد که علاوه بر ساختار، عملکرد نیز قابل طراحی است.
MOF چیست و چرا ساختارش مهم است؟
چارچوب‌های فلزی-آلی دسته‌ای از مواد بلوری متخلخل‌اند که از گرههای فلزی و لینککنندههای آلی تشکیل شدهاند. اندازهٔ حفرهها در این مواد از چند آنگستروم تا چند نانومتر متغیر است؛ ابعادی که برای میزبانی گازها، مولکولهای کوچک و حتی حمل دارو مناسب است. ماهیت ماژولار MOFها یعنی می‌توان فلزها و لینک‌کننده‌ها را تعویض کرد تا اندازهٔ خلأها، تمایل شیمیایی سطح داخلی و پایداری تغییر کند — این انعطاف‌پذیری طراحی، پایهٔ بسیاری از کاربردهای عملی است.
ویژگی‌های کلیدی MOFها
- سطح داخلی بسیار زیاد: بعضی MOFها سطحی معادل یک زمین فوتبال را در چند گرم ماده ارائه می‌دهند.
- تنظیم‌پذیری شیمیایی: امکان انتخاب فلز و لینککننده برای هدف‌گذاری مشخص.
- انتخابپذیری مولکولی: امکان جذب یا جداسازی انواع خاص مولکول‌ها یا گازها.
- قابلیت عملکردی‌سازی: پیوند گروههای عاملی در داخل حفره برای افزودن خواص خاص مانند فعالیت کاتالیستی یا پیوند به مولکولهای زیستی.
کشف‌ها و کاربردهای عملی که توجه جهان را جلب کرد
کاربردهای MOFها گسترهٔ وسیعی را دربرمی‌گیرد و هر سال نمونه‌های جدیدی به فهرست افزوده میشود. در ادامه مهمترین حوزه‌های کاربردی و مثال‌های عملی توضیح داده شدهاند.
ذخیره‌سازی و جداسازی گازها
یکی از برجسته‌ترین کاربردها ذخیره‌سازی گازهاست. MOFها میتوانند گازها را با چگالی بسیار بالاتری نسبت به فاز گازی آزاد جذب کنند که این ویژگی برای ذخیره‌سازی هیدروژن در وسایل نقلیه سلول سوختی یا ذخیرهٔ متان برای کاربردهای حمل‌ونقل اهمیت دارد. از سوی دیگر، قابلیت انتخابپذیری مولکولی MOFها آن‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای جداسازی مخلوط‌های گازی (مثل جداسازی CO2 از گازهای دودکش یا از هوا) تبدیل میکند، که در فناوری‌های کاهش انتشار کربن نقش کلیدی دارد.
کاتالیز و واکنش‌های شیمیایی
حفرههای داخلی MOFها مانند میکروواکنشگرهایی عمل میکنند؛ اتم‌های فلز در چارچوب میتوانند سایت‌های کاتالیزوری فراهم کنند در حالی که محدودیت فضایی ناشی از حفرهها انتخابپذیری و بازده واکنش‌ها را بهبود می‌بخشد. پژوهشگران میتوانند ساختار MOF را طوری طراحی کنند که واکنش‌های مشخصی را تسهیل یا سرکوب کند، از هیدروژناسیون تا واکنش‌های پیچیده‌تر در سنتز دارویی.
جذب آب از هوا، دارورسانی و ذخیرهٔ انرژی
برخی MOFها قادرند آب را از هوای مرطوب جذب کنند؛ این قابلیت می‌تواند برای تامین آب آشامیدنی در مناطق خشک کاربرد داشته باشد. همچنین شبکه‌های متخلخل برای محاصرهٔ مولکولهای دارویی و رهاسازی کنترل‌شدهٔ آن‌ها مناسب‌اند، که کاربردهای امیدوارکننده‌ای در پزشکی هدفمند ایجاد میکند. در حوزهٔ ذخیره انرژی نیز، MOFها در باتری‌ها، ذخیره گرمایی و حسگرهای شیمیایی به‌عنوان اجزای کارآمد در حال بررسی هستند.
چالش‌ها و چشم‌انداز مهندسی برای صنعتی‌سازی
با وجود همهٔ مزایا، تبدیل MOFها از آزمایشگاه به بازار صنعتی چالش‌هایی را در پیش دارد. سه مسالهٔ اصلی عبارتند از پایداری طولانیمدت در شرایط واقعی، تولید در مقیاس صنعتی با هزینهٔ مناسب و ادغام این مواد در ساختارهای دستگاهی مانند غشاها، الکترودها و کپسول‌های ذخیره.
پایداری: بسیاری از MOFها در برابر رطوبت، دما و شرایط شیمیایی شدید آسیب‌پذیرند. اصلاح شیمی سطح، انتخاب لینککنندههای مقاوم‌تر و ایجاد ترکیب‌های هیبریدی با سایر مواد می‌تواند مقاومت را بهبود دهد.
مقیاس‌پذیری: تولید صنعتی نیازمند روش‌های سنتز سریع، ایمن و کم‌هزینه است. پیشرفت در سنتز خودکار، کار با محلول‌های ارزان‌تر و فرایندهای رسوب‌دهی به صورت لایه‌ای می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد.
ادغام در دستگاه: برای کاربردهای عملی مانند غشاهای جداسازی یا الکترودهای باتری، لازم است MOFها را به شکل فیلم، لایه یا کامپوزیت‌های مکانیسم‌پذیر درآورند که خواص مکانیکی و هدایتی مطلوب داشته باشند.
راهکارهای نوین: هوش مصنوعی، سنتز اتوماتیک و طراحی مواد
رویکردهای مدرن مانند طراحی مواد به‌کمک محاسبات، یادگیری ماشین و سنتز خودکار، سرعت کشف و بهینه‌سازی MOFها را به‌طور چشمگیری افزایش داده‌اند. دیتابیس‌های ساختاری و مدل‌های پیش‌بینی‌کننده اجازه می‌دهند ترکیب‌هایی با خواص مورد نظر پیش‌بینی شوند و سپس در آزمایشگاه‌های اتوماتیک تولید و آزمون شوند. این چرخهٔ شتاب‌دهندهٔ کشف، مخصوصاً برای هدف‌گذاری مسائل مثل جداسازی‌های انتخابی یا ذخیره‌سازی هیدروژن مفید است.
نقش نوبل ۲۰۲۵ در پیشبرد زمینه و بازار
اعطای جایزه نوبل به سوسومو کیتاگا، ریچارد رابسون و عمر یاغی هم اهمیت بنیادین این کشف را برجسته کرد و هم توجه سرمایه‌گذاران، سیاست‌گذاران و صنایع را به سمت ترجمهٔ پژوهش‌ها به فناوری‌های تجاری جلب نمود. جایزه یک پیام دوگانه دارد: نخست، تایید اهمیت علمی مفهومی MOFها؛ دوم، نشانه‌ای مبنی بر اینکه نوبت اجرا و کاربرد گسترده این مواد فرا رسیده است.
شرکت‌های نوپا و چندین پروژهٔ صنعتی در حال آزمایش MOFها برای جذب CO2، تولید آب، بهبود عملکرد باتری‌ها و ذخیرهٔ هیدروژن هستند. نتایج اولیهٔ پایلوت‌ها امیدوارکننده است، گرچه هنوز لازم است مسائل دوام و هزینه برطرف شوند تا مقیاس‌پذیری و مقرون‌به‌صرفه بودن بدست آید.
دیدگاه کارشناسی و تحلیل عمیق
نظرات کارشناسان نشان میدهد که نقطه قوت MOFها در «قابلیت طراحی» آن‌هاست. دکتر النا مورالس، شیمی‌دان مواد در یک آزمایشگاه ملی، می‌گوید: «زیبایی شیمی MOF در ماژولار بودن آن است؛ شما با انتخاب فلز و لینککننده می‌توانید ماده‌ای برای کارکرد بسیار دقیق طراحی کنید. این تنظیم‌پذیری همراه با تخلخل چشمگیر، دلیل تداوم نوآوری‌ها در حوزه انرژی و محیط‌زیست است.»
از منظر ریسک و فرصت، MOFها مشابه بسیاری از فناوری‌های نوظهور هستند: پتانسیل بالا اما نیاز به حل مسائل عملی مانند پایداری، ایمنی و اقتصاد است. برتری فنی MOFها به شرکت‌ها و گروههای پژوهشی‌ای تعلق خواهد داشت که بتوانند مسیر از کشف تا محصول را سریع و مقرون‌به‌صرفه طی کنند.
نمونه‌های واقعی در توسعهٔ فناوری
- پایلوت‌های جذب CO2: چند کارخانهٔ آزمایشی در حال بررسی فاز صنعتی جذب CO2 با بستر MOF برای کاهش انتشار از دودکشها هستند.
- دستگاه‌های برداشت آب: نمونه‌های متحرکِ MOF که میتوانند رطوبت را از هوا استخراج و متراکم کنند، در پروژه‌های کمک‌رسانی و مناطق خشک مورد آزمایش قرار گرفته‌اند.
- ذخیرهٔ هیدروژن فشرده: تحقیقاتی روی MOFهای با ظرفیت بالا نشان میدهد که می‌توان ذخیرهٔ امن‌تر و متراکم‌تری نسبت به تانک‌های فشردهٔ متداول طراحی کرد.
چه چیزِ بعدی برای MOFها؟
چشم‌انداز آینده شامل توسعهٔ MOFهای چندکاره، ترکیب MOFها با مواد دیگر (مثل کربن، سرامیک یا پلیمرها)، و طراحی MOFهای واکنش‌پذیر است که در پاسخ به محرک‌های محیطی خواصشان تغییر کند. همچنین انتظار می‌رود فناوری‌هایی مانند سنتز پیوسته، چاپ سه‌بعدی مواد متخلخل و طراحی مولکولی رایانه‌ای، نقش کلیدی در حضور MOFها در بازار داشته باشند.
تحقیقات بین‌رشته‌ای که شیمی، مهندسی، علوم داده و علوم مواد را ترکیب کند، شانس تبدیل ایده‌های آزمایشگاهی به دستگاه‌ها و سامانه‌های واقعی را افزایش میدهد. وقتی MOFها در ساختارهایی یکپارچه شوند که دوام، کارایی و هزینهٔ رقابتی داشته باشند، کاربردهای صنعتی پرشتاب‌تر از امروز ظاهر خواهند شد.
جایزهٔ نوبل ۲۰۲۵ نه تنها دستاورد سه دانشمند را گرامی داشت، بلکه چراغ راهی برای نسل جدیدی از پژوهشگران و مهندسان روشن کرد تا این خانوادهٔ متخلخل و قابل‌برنامه‌ریزی مواد را از آزمایشگاه به جهان واقعی بیاورند. از جذب CO2 و برداشت آب تا ذخیرهٔ انرژی و دارورسانی هدفمند، MOFها مجموعه‌ای از فرصت‌های فنی و اقتصادی را پیش روی جامعهٔ علمی و صنعتی می‌گذارند.
به این ترتیب، میدان پژوهش MOFها امروز زنده‌تر و متنوع‌تر از همیشه است؛ جایی که ایده‌های مفهومی با توان اجرایی در حال پیوند خوردن‌اند تا پاسخ‌هایی قابل اجرا برای چالش‌های بزرگ زیست‌محیطی و انرژی ارائه دهند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر