Etrafımızdaki polimerler, temel olarak atom zincirlerinin birbirine dolandığı düzensiz bir karmaşadır. Ancak 1990'lardan bu yana kimyagerler, hassas bir şekilde tanımlanmış yapıya sahip polimerler geliştirme teknikleri üzerinde çalışıyor. Metal-organik kafesler (MOF'lar) olarak adlandırılan bu polimerler, benzersiz kimyasal özelliklere sahip: gazları filtrelemek veya depolamak için kullanılabilecek büyük gözenekler, polimer içinde katalitik merkezler ve daha fazlası.
Geçtiğimiz günlerde, bu alanda öncü rol oynayan üç araştırmacı Nobel Ödülü'ne layık görüldü. Richard Robson, ilk MOF'u gösterdiği için; Susumu Kitagawa ve Omar Yaghi ise MOF'ları tam potansiyellerine ulaştırdıkları için bu ödüle hak kazandılar.
Bir Yapı İnşa Etmek
Çoğu polimer, esnek bağlarla birbirine bağlanmış ve moleküllerin etrafta sallanmasına izin veren tek tek moleküllerden oluşur. Sonuç olarak, bir plastik poşet veya bisiklet lastiği gibi nihai formlarında, polimerler karmaşık bir düğüm halindedir ve moleküller birbirine rastgele sarılmıştır. Bu polimerlerin yığın özelliklerini değiştirerek veya yapıldığı molekülleri değiştirerek bazı yönlerini hala kontrol edebiliriz, ancak bu noktadan öte kimyasal olarak yapabileceğimiz çok fazla şey yoktur.
MOF'larda ise metal bileşeni, moleküllerin birbirine nasıl bağlandığının geometrisini kontrol etmemize olanak tanır. Metaller adeta merkezler gibi davranır ve bu merkezlerden çok yönlü, rijit organik moleküller uzanır. Orbitallerinin doğası gereği, metaller belirli sayıda organik molekül ile bağ kurabilir ve bu bağların her biri diğer bağlarla belirli açılara sahiptir. Dolayısıyla, metali dikkatli seçerek, metallerin ve organik moleküllerin birbirini izlediği, belirli üç boyutlu yapılar oluşturmak mümkündür.
Geleneksel polimerlerin aksine bu yapı, MOF'ların iyi tanımlanmış boyutta açık iç alanlara sahip olmasını sağlar. Bu alanlar bazı moleküllerin geçmesine izin verirken diğerlerini filtreleyebilir. Ek olarak, metallerin varlığı ilginç kimyasal reaksiyonlara imkan tanır. Metaller katalizör görevi görebilir veya bir karışım içindeki tek bir moleküle seçici olarak bağlanabilir.
Şimdi bildiklerimizle bakıldığında, bunun işe yarayacağı oldukça bariz görünse de, Robson'un Melbourne Üniversitesi'ndeki çalışmaları başladığında, konuyu düşünen az sayıda kişi, inşa ettiği moleküllerin kararsız olacağını ve çökeceğini bekliyordu.
Robson'un inşa ettiği ilk MOF, bakırı metal tercihi olarak kullanmıştı. Bu, bükülmeyen bir benzen halkasının varlığı sayesinde rijit yapısını koruyan bir organik molekül ile bağlanmıştı. Hem organik molekül hem de bakır, dört farklı bağ oluşturabiliyordu. Bu da yapının, Robson'un bilinçli bir tercihi olan üçgen piramitlerin üst üste dizilmesine benzer bir şekilde büyümesine olanak tanıdı.
Ancak bu durumda, iç boşluklar MOF'un oluştuğu çözücü ile doluydu. Buna rağmen, çözücü malzeme içinde serbestçe hareket edebiliyordu. Robson, bu örnekten yola çıkarak, o zamandan beri farklı MOF'lara entegre edilen birçok özelliği öngörmüştü: çözücüler uzaklaştırıldıktan sonra bile yapılarını koruma yeteneği, katalitik bölgelerin varlığı ve MOF'ların filtre görevi görme kabiliyeti.
Kavramı Genişletmek
Tüm bunlar, bir kişinin ilk çabası için oldukça iyimser bir yaklaşım gibi görünebilir. Ancak Robson'un başarısının ölçüsü, diğer kimyagerleri potansiyeline ikna etmesidir. Bu kimyagerlerden biri de Kyoto Üniversitesi'nden Susumu Kitagawa idi. Kitagawa ve meslektaşları, malzemenin tüm uzunluğu boyunca uzanan büyük iç kanallara sahip bir MOF inşa ettiler. Sulu bir çözeltide yapılan bu MOF, kurutulup içinden gaz akışı sağlandığında, oksijen, nitrojen ve metan gibi molekülleri yapısında tutabiliyordu.
Kitagawa ayrıca alanın nereye gidebileceğine dair bazı fikirler öne sürdü. En nihayetinde, dış koşullara, örneğin sıcaklık veya ışıklandırmaya yanıt olarak özelliklerini değiştirebilen MOF'lar inşa etmenin mümkün olacağını öne sürüyordu ki bu durum daha sonra kanıtlanmıştır.
Ancak yeni MOF çeşitlerini tasarlamada belki de en yetenekli isim Yaghi'dir. Yaghi, Ürdün'de Filistinli bir mülteci olarak hayata başladı, gençlik yıllarında ABD'ye geldi ve bir toplum kolejinde kimya eğitimine başladı. Bir dört yıllık üniversite ve lisansüstü eğitime devam ettikten sonra Yaghi, dört farklı üniversitede profesörlük yaptı ve şu anda University of California, Berkeley'de ulaşılabilen en üst düzey pozisyonda bulunuyor. Kendisi ve meslektaşları, yüzlerce derece santigratta stabil olan, kabaca %60'ı açık alana sahip veya özelleştirilebilir iç gözenek boyutlarıyla inşa edilebilen MOF'lar geliştirdiler.
Yaghi'nin dikkat çekici çalışmalarından ikisi gerçek dünya problemlerine odaklanıyor. Biri, sera gazı emisyonlarımızı aşırı ölçüde düzeltmek istersek faydalı olabilecek seçici karbondioksit emilimi sağlıyor. Diğeri ise çöl havasından gece su tutuyor ve ertesi gün güneş tarafından ısıtıldığında bu suyu serbest bırakıyor.
Şu an itibarıyla, birçok farklı MOF sentezlenmiş durumda (Wikipedia sayfaları 20.000 kelimeyi aşıyor) ve potansiyel olarak faydalı özelliklere sahip yeni MOF'ları açıklayan makalelerden oluşan istikrarlı bir akış mevcut. Ancak bu, halkın dikkatini, bu yılki Nobel gibi olaylar dışında yakalamayacak bir gelişme türüdür. MOF'ların birçok potansiyel kullanımı var, ancak neredeyse hepsinde, malzeme faydalı ama pek göz alıcı olmayan bir şeyi mümkün kılmak için perde arkasında çalışacak, hidrojen depolama, karbondioksit filtreleme ve kimyasal reaksiyonları katalize etme gibi işler yapacak.
Ancak uygulama yelpazesi o kadar geniş ki, bu yılki Nobel'in bu çalışmaya kamuoyu tarafından tanınırlık kazandırması sevindirici.
