Nobel za kemiju 2025. otišao je trojici znanstvenika čija je ideja iz laboratorija prerastala u novu granu materijala i cijelu industriju: Susumu Kitagawi, Richardu Robsonu i Omaru M. Yaghiju. Njihov rad na metalno-organskim okvirima (MOF-ovima) – kristalnim rešetkama goleme unutarnje površine – promijenio je način na koji razmišljamo o pohrani plinova, pročišćavanju zraka i vode, pa čak i o dostavi lijekova. Ova porozna „arhitektura” na molekularnoj skali danas se smatra jednim od najutjecajnijih otkrića moderne kemije materijala; ne čudi stoga da je upravo 2025. označila trenutak formalnog priznanja.

Što su zapravo MOF-ovi i zašto su posebni

Na najjednostavnijoj razini, MOF je „skela” sastavljena od metalnih čvorova i organskih „šipki” koje ih povezuju. Rezultat je kristalna rešetka s pravilnim kanalima i šupljinama. Zbog te geometrije MOF-ovi mogu imati unutarnju površinu od nekoliko tisuća kvadratnih metara po jednom jedinom gramu materijala. U praksi to znači da se u njihovim porama može smjestiti iznenađujuće mnogo molekula – od vodene pare do ugljikova dioksida, metana ili vodika – i to selektivno, ovisno o kemijskom „namještaju” unutar pora.

Usporedba koja se često koristi – i koja dobro pogađa bit – jest ona s dječjim penjalicama na igralištu. Konstrukcija izgleda masivno, ali većinom je prazan prostor. Djeca se igraju u međuprostorima; u MOF-ovima, umjesto djece, kreću se molekule. Upravo ta praznina, kojom upravljamo na atomskoj razini, čini MOF-ove iznimno moćnim adsorbensima i reaktivnim platformama.

Pioniri i put do Nobela

Australski kemičar Richard Robson još je sedamdesetih i osamdesetih godina zacrtao ideju kristalnih mreža u kojima se metali i organski ligandi slagaju u beskonačne uzorke. Japanski istraživač Susumu Kitagawa pokazao je kako takve strukture mogu biti stabilne, prohodne i korisne, dok je Omar M. Yaghi razvio retikularnu kemiju – sustavni pristup „tkanju” mreža unaprijed zadane topologije i funkcije. U sljedećim desetljećima nastale su tisuće različitih MOF-ova, a s njima i novi pojmovi: izoretikularnost (građenje „obitelji” s istom topologijom), post-sintetska modifikacija (namještanje kemije pora nakon sinteze) i funkcionalizacija prema mjeri ciljanog procesa.

Kako MOF „hvata” i oslobađa molekule

Zašto je golema površina bitna? Jer adsorpcija je pojava na površini. Što je više „polica” i „kuteva”, to više mjesta gdje se molekule mogu privremeno vezati. No stvarna snaga MOF-ova je u tome što tu površinu možemo kemijski „obložiti”: u poru se mogu ugraditi funkcionalne skupine koje vole vodu ili, obratno, selektivno hvataju CO₂, amonijak ili sumporov dioksid. Jednom kad ispunimo pore, materijal možemo regenerirati blagim zagrijavanjem, smanjenjem tlaka ili promjenom vlažnosti – i ciklus se ponavlja stotinama puta.

Voda iz zraka: od znanstvene znatiželje do poljskog testa

Malo je demonstracija MOF-ova izazvalo toliko pažnje kao „žetva vode” iz pustinjskog zraka. Tim s Berkeleyja pod vodstvom Omara Yaghija najprije je pokazao da cirkonijev MOF-801 može upijati vodu i na suhom zraku, a zatim je razvio aluminijski MOF-303, materijal bržih kinetika i većeg kapaciteta. Terenska ispitivanja u ekstremno suhim okruženjima potvrdila su da je moguće pasivno, sunčevom toplinom, dobiti stotine grama vode po kilogramu sorbensa dnevno – bez vanjskog napajanja, u ciklusima prilagođenim dnevno-noćnoj izmjeni temperature i vlage. Za sušne regije to otvara novu, prostorno distribuiranu infrastrukturu za pitku vodu.

Od vojske do civilne primjene: DARPA-in program i industrija u nastajanju

Vojne operacije posebno osjećaju teret „logistike vode”: doprema kanistara i cisterni skupa je i rizična. Upravo zato je DARPA pokrenula program Atmospheric Water Extraction (AWE) kako bi potaknula razvoj kompaktnog uređaja koji u ekstremno suhim uvjetima daje dovoljno pitke vode za pojedinca ili za postrojbu. Program je okupljao akademske i industrijske timove s ciljem dramatičnog smanjenja mase, volumena i potrošnje energije u odnosu na klasične atmosferske generatore vode. Kao program menadžer radio je i američki kemičar Seth M. Cohen (UC San Diego), a rezultati – od validiranih prototipova do komercijalizacije tehnologije sorbenata – trasirali su put prema tržišnim rješenjima.

Plinovi pod kontrolom: vodik, metan i CO₂

Ako je voda najemocionalnija primjena, energija je vjerojatno najvažnija. MOF-ovi omogućuju spremnicima za vodik ili metan da „upakiraju” više goriva pri manjim tlakovima i temperaturama, jer plinovi ne „plutaju” u praznini nego se vežu na zidove pora. Pritom su ključni parametri: veličina i raspodjela pora, specifična površina, interakcijska energija vodika s „sidrima” u porama te toplinski tok pri punjenju/pražnjenju. Iako je široka komercijalna primjena u vozilima i dalje izazov – pogotovo pri temperaturama bliskim ambijentu – trend je jasan: dizajn pora i funkcionalnih skupina približava sustave ciljevima performansi koje propisuju energetski regulatori.

S druge strane, u borbi protiv klimatskih promjena MOF-ovi se nameću kao adsorbensi za selektivno hvatanje CO₂ iz dimnih plinova elektroenergetskih postrojenja ili čak iz zraka. Njihova prednost je podesivost: aminske funkcionalne skupine, otvorena metalna mjesta ili „pametne” rešetke koje mijenjaju afinitet ovisno o vlažnosti i temperaturi. U sve se većoj mjeri kombiniraju s membranama, pa nastaju mješovite membrane s poboljšanom propusnošću i selektivnošću.

Neutralizacija otrovnih para i zaštita

Još jedno područje u kojem su MOF-ovi iznimno obećavajući jest hvatanje i razgradnja otrovnih plinova poput amonijaka, sumporova dioksida, sumporovodika ili dušikovih oksida. Klasični adsorbensi često korodiraju ili se brzo zasićuju; cilj je dobiti materijale koji ne samo da mogu „uhvatiti” molekulu na ppm-razini, nego je i kemijski transformirati u bezopasnije vrste. U tom su smjeru razvijeni stabilni Zr- i Al-MOF-ovi s katalitičkim mjestima, kao i kompoziti koji u porama nose katalizatore za oksidaciju i neutralizaciju.

Lijekovi u ritmu pora: spora i ciljana isporuka

Porozna rešetka nije samo „spremište”; ona može biti i „raspored isporuke”. Farmaceutske molekule moguće je „parkirati” u pore tako da se otpuštaju polagano, nadzirano i potencijalno ciljano – primjerice pod utjecajem pH, svjetlosti ili temperature. Post-sintetske modifikacije, područje u kojem je grupa Setha Cohena dala ključne doprinose, omogućile su da se unutar rešetke ugrade funkcionalne skupine koje „drže” lijek dok je to poželjno, a zatim ga puštaju na mjesto učinka. Istodobno, nanokompoziti MOF-polimer nude bolju mehaničku robusnost i biokompatibilnost.

Od laboratorijske „soli” do spremnika: kako izgleda skok u primjenu

U priči o MOF-ovima često se ističe kontraintuitivni primjer s plinskim spremnicima. Zamislite tank za metan: prazan je i spreman za punjenje. Ako u njega naspete granule MOF-a, vizualno ste „ukrali” volumen plinu. No svaki kristalić skriva tisuće kvadratnih metara unutarnje površine na kojima se metan može adsorbirati. Rezultat: pri istom tlaku i temperaturi u „ispunjenom” spremniku stane višestruko više plina nego u praznom. Inženjerski izazov je raspodjela topline (adsorpcija oslobađa toplinu), mehanička stabilnost pakiranog sloja i dugi ciklusi bez degradacije.

Što je retikularna kemija i zašto je ključna

Yaghijev koncept retikularne kemije dao je alate da se rešetka dizajnira unaprijed: biraju se topologija (npr. kockasta, heksagonalna), udaljenosti između čvorova, kemija čvorova i „mostova”, pa se svojstva – od veličine pora do hidrofilnosti – predviđaju, a ne slučajno pronalaze. To je omogućilo „obitelji” poput UiO-66 (cirkonijevi čvorovi, razni ligandi) i MIL-serija (aluminijevi/željezni čvorovi) koje su danas radni konji mnogih primjena. Već sama činjenica da se na istu topologiju može „navući” desetine funkcionalnih skupina čini MOF-ove platformom, a ne pojedinačnim materijalom.

Krivulje sorpcije, histereza i realni uvjeti

U laboratoriju je lako postići impresivne brojke, no industrija traži performanse u realnim uvjetima: prisutnost vlage, promjenjive temperature, smjese nečistoća, mehaničke vibracije. Zato danas uz klasične izoterme (Langmuir, BET) sve veći značaj imaju dinamički testovi kroz tisuće ciklusa, brza desorpcija pod blagim uvjetima i otpornost na korozivne plinove. Za hvatanje amonijaka ili SO₂ razvijaju se MOF-ovi s „žrtvenim” mjestima koja se obnavljaju, dok se za CO₂ sve češće preferiraju aminofunkcionalizirane rešetke koje zadržavaju selektivnost i u vlažnim strujama plina.

Uloga sveučilišta i državnih agencija

Nobel je reflektor, ali infrastruktura koja vodi do njega – laboratoriji, centri i programi – često ostaje u sjeni. UC Berkeley, Kyoto i Melbourne predvodili su konceptualni razvoj, dok su UC San Diego i druge institucije gurale materijale prema post-sintetskoj modifikaciji, membranama i biomedicini. Na strani države, programi poput DARPA-inog AWE-a odigrali su važnu ulogu u „prevođenju” materijala u uređaje, od prototipova veličine mikrovalne pećnice do sustava za čitave kampove. Ne manje važna je i val industrijskih partnerstava koja tehnologiju izvlače iz publikacija i pretvaraju je u robusnu opremu.

Gdje smo danas i što slijedi

Danas je katalog poznatih MOF-ova golemi, a strojno učenje pomaže predvidjeti kombinacije metala i liganada s ciljanom energetikom vezanja vodika ili selektivnošću prema CO₂ u vlažnim uvjetima. Komercijalni proizvodi još su nišni – primjerice spremnici za kontrolu etilena koji produljuju svježinu voća, filteri za selektivno uklanjanje neugodnih para ili prototipovi kućnih sakupljača vode – ali trend je jasan: s padom cijene sorbenata i integracijom s učinkovitim izmjenjivačima topline, MOF-ovi izlaze iz laboratorija.

Zašto je priznanje iz 2025. važno i izvan kemije

Priče o Nobelu često ostanu „unutar struke”, no ovaj slučaj ima šire značenje. Svijet se istodobno bori s vodnom nesigurnošću, dekarbonizacijom i kvalitetom zraka. MOF-ovi su rijedak primjer platforme koja otvara opcije na više frontova: pasivno sakupljanje vode na suncu, spremnici koji olakšavaju logistiku čistih goriva, filteri i katalizatori koji štite zdravlje. Nagrada Kitagawi, Robsonu i Yaghiju zato je i simbolička poruka – ulaganje u temelje materijalne kemije može donijeti rješenja koja su i praktična i skalabilna.

Kako prepoznati „hype” i razlikovati ga od napretka

Vrijedi reći i ovo: MOF-ovi su dugo bili „zvijezde” naslovnica jer su brojke o površinama i kapacitetima zvučale nevjerojatno. Kritična pitanja – cijena sinteze, reciklabilnost metala i liganada, sigurnost kod ispiranja, mehanička kohezija u stvarnim uređajima – nisu nestala. Ono što se promijenilo jest da su istraživači i inženjeri u posljednjih nekoliko godina počeli pokazivati pouzdane cikluse u pustinjskom terenu, validirane prototipove za vodu iz zraka i mjerene performanse prema industrijskim metrikama. Drugim riječima, „hype” se povlači pred konkretnim inženjerskim dokazima.

Bilješka o datumu i kontekstu

Središnja svečanost dodjele Nobela tradicionalno je 10. prosinca, a ove godine dolazi nakon listopadskih objava laureata. U znanstvenoj zajednici rasprave će se nastaviti – tko je što učinio prvi, koja je bila prijelomna publikacija – ali malo je dvojbi da su dobitnici iz 2025. ugradili MOF-ove u temelje moderne kemije materijala. Njihov rad ostat će referenca svima koji žele iz zraka vaditi vodu, u spremnike spremati vodik ili očistiti plinove kojima je mjesto u procesima, a ne u našim plućima.