Der Nobelpreis für Chemie 2025 ging an drei Wissenschaftler, deren Idee aus dem Labor zu einem neuen Zweig von Materialien und einer ganzen Industrie heranwuchs: Susumu Kitagawa, Richard Robson und Omar M. Yaghi. Ihre Arbeit an metall-organischen Gerüsten (MOFs) – kristallinen Gittern mit riesiger innerer Oberfläche – hat die Art und Weise verändert, wie wir über Gasspeicherung, Luft- und Wasserreinigung und sogar über die Verabreichung von Medikamenten denken. Diese poröse „Architektur“ auf molekularer Skala gilt heute als eine der einflussreichsten Entdeckungen der modernen Materialchemie; es überrascht daher nicht, dass 2025 den Moment der formalen Anerkennung markierte.

Was MOFs eigentlich sind und warum sie besonders sind

Auf der einfachsten Ebene ist ein MOF ein „Gerüst“, das aus metallischen Knoten und organischen „Stäben“ besteht, die diese verbinden. Das Ergebnis ist ein kristallines Gitter mit regelmäßigen Kanälen und Hohlräumen. Aufgrund dieser Geometrie können MOFs eine innere Oberfläche von mehreren tausend Quadratmetern pro einem einzigen Gramm Material aufweisen. In der Praxis bedeutet dies, dass in ihren Poren überraschend viele Moleküle Platz finden können – von Wasserdampf bis hin zu Kohlendioxid, Methan oder Wasserstoff – und zwar selektiv, abhängig von der chemischen „Einrichtung“ innerhalb der Poren.

Ein Vergleich, der oft verwendet wird – und der den Kern gut trifft – ist der mit Klettergerüsten für Kinder auf einem Spielplatz. Die Konstruktion wirkt massiv, ist aber größtenteils leerer Raum. Kinder spielen in den Zwischenräumen; in MOFs bewegen sich statt Kindern Moleküle. Genau diese Leere, die wir auf atomarer Ebene steuern, macht MOFs zu extrem leistungsfähigen Adsorbentien und reaktiven Plattformen.

Pioniere und der Weg zum Nobelpreis

Der australische Chemiker Richard Robson skizzierte bereits in den siebziger und achtziger Jahren die Idee kristalliner Netzwerke, in denen sich Metalle und organische Liganden zu unendlichen Mustern zusammenfügen. Der japanische Forscher Susumu Kitagawa zeigte, wie solche Strukturen stabil, durchlässig und nützlich sein können, während Omar M. Yaghi die retikulare Chemie entwickelte – einen systematischen Ansatz zum „Weben“ von Netzwerken mit im Voraus festgelegter Topologie und Funktion. In den folgenden Jahrzehnten entstanden tausende verschiedener MOFs und mit ihnen neue Begriffe: Isoretikularität (Aufbau von „Familien“ mit derselben Topologie), post-synthetische Modifikation (Anpassung der Porenchemie nach der Synthese) und Funktionalisierung nach Maß des Zielprozesses.

Wie ein MOF Moleküle „fängt“ und freisetzt

Warum ist eine riesige Oberfläche wichtig? Weil Adsorption ein Oberflächenphänomen ist. Je mehr „Regale“ und „Ecken“, desto mehr Plätze, an denen sich Moleküle vorübergehend binden können. Aber die wahre Stärke von MOFs liegt darin, dass wir diese Oberfläche chemisch „verkleiden“ können: In die Pore können funktionelle Gruppen eingebaut werden, die Wasser lieben oder umgekehrt selektiv CO₂, Ammoniak oder Schwefeldioxid fangen. Sobald wir die Poren gefüllt haben, kann das Material durch leichtes Erwärmen, Druckverringerung oder Feuchtigkeitsänderung regeneriert werden – und der Zyklus wiederholt sich hunderte Male.

Wasser aus der Luft: von der wissenschaftlichen Neugier zum Feldtest

Wenige Demonstrationen von MOFs haben so viel Aufmerksamkeit erregt wie die „Wassergewinnung“ aus Wüstenluft. Ein Team aus Berkeley unter der Leitung von Omar Yaghi zeigte zunächst, dass Zirkonium-MOF-801 Wasser auch in trockener Luft aufnehmen kann, und entwickelte dann Aluminium-MOF-303, ein Material mit schnellerer Kinetik und größerer Kapazität. Feldversuche in extrem trockenen Umgebungen bestätigten, dass es möglich ist, passiv, durch Sonnenwärme, hunderte Gramm Wasser pro Kilogramm Sorbens täglich zu gewinnen – ohne externe Stromversorgung, in Zyklen, die an den Tag-Nacht-Wechsel von Temperatur und Feuchtigkeit angepasst sind. Für trockene Regionen eröffnet dies eine neue, räumlich verteilte Infrastruktur für Trinkwasser.

Vom Militär zur zivilen Anwendung: DARPAs Programm und eine entstehende Industrie

Militärische Operationen spüren besonders die Last der „Wasserlogistik“: Der Transport von Kanistern und Tankwagen ist teuer und riskant. Genau deshalb startete die DARPA das Programm Atmospheric Water Extraction (AWE), um die Entwicklung eines kompakten Geräts zu fördern, das unter extrem trockenen Bedingungen genug Trinkwasser für einen Einzelnen oder eine Einheit liefert. Das Programm brachte akademische und industrielle Teams mit dem Ziel zusammen, Masse, Volumen und Energieverbrauch im Vergleich zu klassischen atmosphärischen Wassergeneratoren drastisch zu reduzieren. Als Programmmanager arbeitete auch der amerikanische Chemiker Seth M. Cohen (UC San Diego), und die Ergebnisse – von validierten Prototypen bis zur Kommerzialisierung der Sorbens-Technologie – ebneten den Weg zu Marktlösungen.

Gase unter Kontrolle: Wasserstoff, Methan und CO₂

Wenn Wasser die emotionalste Anwendung ist, ist Energie wahrscheinlich die wichtigste. MOFs ermöglichen es Behältern für Wasserstoff oder Methan, mehr Brennstoff bei geringeren Drücken und Temperaturen zu „verpacken“, da Gase nicht in der Leere „schweben“, sondern sich an die Porenwände binden. Dabei sind Schlüsselparameter: Größe und Verteilung der Poren, spezifische Oberfläche, Interaktionsenergie von Wasserstoff mit „Ankern“ in den Poren sowie der Wärmefluss beim Be- und Entladen. Obwohl eine breite kommerzielle Anwendung in Fahrzeugen weiterhin eine Herausforderung ist – besonders bei Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur – ist der Trend klar: Das Design von Poren und funktionellen Gruppen nähert die Systeme den Leistungszielen an, die von Energieregulierungsbehörden vorgeschrieben werden.

Auf der anderen Seite drängen sich MOFs im Kampf gegen den Klimawandel als Adsorbentien für das selektive Einfangen von CO₂ aus Rauchgasen von Kraftwerken oder sogar aus der Luft auf. Ihr Vorteil ist die Einstellbarkeit: Amin-funktionelle Gruppen, offene Metallstellen oder „intelligente“ Gitter, die ihre Affinität abhängig von Feuchtigkeit und Temperatur ändern. In zunehmendem Maße werden sie mit Membranen kombiniert, sodass gemischte Membranen mit verbesserter Durchlässigkeit und Selektivität entstehen.

Neutralisierung giftiger Dämpfe und Schutz

Ein weiterer Bereich, in dem MOFs extrem vielversprechend sind, ist das Einfangen und der Abbau giftiger Gase wie Ammoniak, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff oder Stickoxide. Klassische Adsorbentien korrodieren oft oder sättigen sich schnell; das Ziel ist es, Materialien zu erhalten, die ein Molekül nicht nur auf ppm-Ebene „fangen“, sondern es auch chemisch in harmlosere Arten umwandeln können. In dieser Richtung wurden stabile Zr- und Al-MOFs mit katalytischen Stellen entwickelt, sowie Komposite, die Katalysatoren für Oxidation und Neutralisierung in den Poren tragen.

Medikamente im Rhythmus der Poren: langsame und gezielte Abgabe

Ein poröses Gitter ist nicht nur ein „Lager“; es kann auch ein „Lieferplan“ sein. Pharmazeutische Moleküle können so in Poren „geparkt“ werden, dass sie langsam, überwacht und potenziell gezielt freigesetzt werden – beispielsweise unter dem Einfluss von pH-Wert, Licht oder Temperatur. Post-synthetische Modifikationen, ein Bereich, in dem die Gruppe von Seth Cohen entscheidende Beiträge leistete, ermöglichten es, funktionelle Gruppen in das Gitter einzubauen, die das Medikament „festhalten“, solange dies wünschenswert ist, und es dann am Wirkort freigeben. Gleichzeitig bieten MOF-Polymer-Nanokomposite eine bessere mechanische Robustheit und Biokompatibilität.

Vom Labor-„Salz“ zum Tank: wie der Sprung in die Anwendung aussieht

In der Geschichte über MOFs wird oft das kontraintuitive Beispiel mit Gastanks hervorgehoben. Stellen Sie sich einen Tank für Methan vor: Er ist leer und bereit zur Befüllung. Wenn Sie MOF-Granulat hineinschütten, haben Sie dem Gas visuell Volumen „gestohlen“. Aber jedes Kristallchen verbirgt tausende Quadratmeter innerer Oberfläche, an denen Methan adsorbiert werden kann. Das Ergebnis: Bei gleichem Druck und gleicher Temperatur passt in den „gefüllten“ Tank ein Vielfaches mehr Gas als in den leeren. Die ingenieurtechnische Herausforderung ist die Wärmeverteilung (Adsorption setzt Wärme frei), die mechanische Stabilität der gepackten Schicht und lange Zyklen ohne Degradation.

Was ist retikulare Chemie und warum ist sie entscheidend

Yaghis Konzept der retikularen Chemie gab die Werkzeuge, um das Gitter im Voraus zu entwerfen: Topologie (z. B. kubisch, hexagonal), Abstände zwischen Knoten, Chemie der Knoten und „Brücken“ werden gewählt, sodass Eigenschaften – von der Porengröße bis zur Hydrophilie – vorhergesagt und nicht zufällig gefunden werden. Dies ermöglichte „Familien“ wie UiO-66 (Zirkonium-Knoten, verschiedene Liganden) und MIL-Serien (Aluminium-/Eisen-Knoten), die heute die Arbeitspferde vieler Anwendungen sind. Schon allein die Tatsache, dass man auf dieselbe Topologie Dutzende funktioneller Gruppen „überziehen“ kann, macht MOFs zu einer Plattform und nicht zu einem einzelnen Material.

Sorptionskurven, Hysterese und reale Bedingungen

Im Labor ist es leicht, beeindruckende Zahlen zu erreichen, aber die Industrie verlangt Leistung unter realen Bedingungen: Anwesenheit von Feuchtigkeit, wechselnde Temperaturen, Mischungen von Verunreinigungen, mechanische Vibrationen. Deshalb haben heute neben klassischen Isothermen (Langmuir, BET) dynamische Tests über tausende Zyklen, schnelle Desorption unter milden Bedingungen und Beständigkeit gegen korrosive Gase immer größere Bedeutung. Für das Einfangen von Ammoniak oder SO₂ werden MOFs mit „Opfer“-Stellen entwickelt, die sich regenerieren, während für CO₂ immer häufiger amin-funktionalisierte Gitter bevorzugt werden, die die Selektivität auch in feuchten Gasströmen beibehalten.

Die Rolle von Universitäten und staatlichen Agenturen

Der Nobelpreis ist ein Scheinwerfer, aber die Infrastruktur, die zu ihm führt – Labore, Zentren und Programme – bleibt oft im Schatten. UC Berkeley, Kyoto und Melbourne führten die konzeptionelle Entwicklung an, während UC San Diego und andere Institutionen Materialien in Richtung post-synthetischer Modifikation, Membranen und Biomedizin trieben. Auf staatlicher Seite spielten Programme wie DARPAs AWE eine wichtige Rolle bei der „Übersetzung“ von Materialien in Geräte, von Prototypen in der Größe einer Mikrowelle bis zu Systemen für ganze Camps. Nicht weniger wichtig ist die Welle industrieller Partnerschaften, die Technologie aus Publikationen herausholen und in robuste Ausrüstung verwandeln.

Wo wir heute stehen und was folgt

Heute ist der Katalog bekannter MOFs riesig, und maschinelles Lernen hilft, Kombinationen von Metallen und Liganden mit gezielter Bindungsenergetik für Wasserstoff oder Selektivität gegenüber CO₂ unter feuchten Bedingungen vorherzusagen. Kommerzielle Produkte sind noch Nischenprodukte – zum Beispiel Behälter zur Ethylen-Kontrolle, die die Frische von Obst verlängern, Filter zur selektiven Entfernung unangenehmer Dämpfe oder Prototypen von häuslichen Wassersammlern – aber der Trend ist klar: Mit dem Preisverfall der Sorbentien und der Integration mit effizienten Wärmetauschern verlassen MOFs das Labor.

Warum die Anerkennung von 2025 auch außerhalb der Chemie wichtig ist

Geschichten über den Nobelpreis bleiben oft „innerhalb des Fachs“, aber dieser Fall hat eine breitere Bedeutung. Die Welt kämpft gleichzeitig mit Wasserunsicherheit, Dekarbonisierung und Luftqualität. MOFs sind ein seltenes Beispiel für eine Plattform, die Optionen an mehreren Fronten eröffnet: passives Sammeln von Wasser in der Sonne, Behälter, die die Logistik sauberer Brennstoffe erleichtern, Filter und Katalysatoren, die die Gesundheit schützen. Die Auszeichnung für Kitagawa, Robson und Yaghi ist daher auch eine symbolische Botschaft – Investitionen in die Grundlagen der Materialchemie können Lösungen bringen, die sowohl praktisch als auch skalierbar sind.

Wie man „Hype“ erkennt und ihn von Fortschritt unterscheidet

Es lohnt sich, auch dies zu sagen: MOFs waren lange „Stars“ der Titelseiten, weil die Zahlen zu Oberflächen und Kapazitäten unglaublich klangen. Kritische Fragen – Synthesekosten, Rezyklierbarkeit von Metallen und Liganden, Sicherheit beim Auswaschen, mechanische Kohäsion in echten Geräten – sind nicht verschwunden. Was sich geändert hat, ist, dass Forscher und Ingenieure in den letzten Jahren begonnen haben, zuverlässige Zyklen im Wüstengelände, validierte Prototypen für Wasser aus der Luft und gemessene Leistungen nach industriellen Metriken zu zeigen. Mit anderen Worten, der „Hype“ zieht sich vor konkreten ingenieurtechnischen Beweisen zurück.

Notiz zu Datum und Kontext

Die zentrale Zeremonie der Nobelpreisverleihung findet traditionell am 10. Dezember statt, und dieses Jahr kommt sie nach den Bekanntgaben der Preisträger im Oktober. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft werden die Diskussionen weitergehen – wer was zuerst getan hat, welches die bahnbrechende Publikation war – aber es gibt wenig Zweifel daran, dass die Gewinner von 2025 MOFs in die Fundamente der modernen Materialchemie eingebaut haben. Ihre Arbeit wird eine Referenz für alle bleiben, die Wasser aus der Luft gewinnen, Wasserstoff in Tanks speichern oder Gase reinigen wollen, die in Prozesse gehören und nicht in unsere Lungen.