Bu yılki Nobel Kimya Ödülü, kimya dünyasında devrim yaratma potansiyeli taşıyan bir buluşa imza atan üç bilim insanına verildi. Bilim insanları, büyük boşluklara sahip kristallerin keşfedilmesiyle moleküler mimaride yeni bir çağ başlattı.
Japonya'dan Kyoto Üniversitesi'nden Susumu Kitagawa, Avustralya'dan Melbourne Üniversitesi'nden Richard Robson ve ABD'den Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'den Omar M. Yaghi, toplam 11 milyon İsveç kronu (yaklaşık 27 milyon TL) para ödülünü paylaşacak. Ödül, bu üç ismin metal-organik kafesler (MOF'lar) olarak bilinen yapıların geliştirilmesindeki öncü katkılarını takdir ediyor.
MOF'lar, yapılarındaki mikroskobik boşluklar sayesinde kimya alanında büyük ilgi gören, oldukça çeşitli kristal yapılı malzemelerdir. Bu malzemeler, çöl havasından su toplamak ve karbondioksit (CO₂) yakalamak gibi yeşil teknolojilerde devrim yaratmaya yardımcı oluyor.
Boşlukların genişliği, bir santimetrenin yüzde biri kadar olan angstromlardan, bir milimetrenin milyonda biri olan nanometrelere kadar değişebilir. Bu boyutlar, çıplak gözle veya çoğu mikroskopla görülemeyecek kadar küçüktür. Ancak bu boşluklar, çeşitli molekülleri barındırmak için ideal boyuttadır.
MOF'ların gelişiminin kökeni, araştırmacıların 1950'lerin sonlarında 'koordinasyon polimerleri'ni keşfetmeye başladığı döneme kadar uzanıyor. Bu malzemeler, birbirine bağlı metal iyonları (elektron kaybetmiş veya kazanmış atomlar) ve 'linker' adı verilen karbon bazlı köprüleyici moleküllerden oluşuyordu.
Bu ilk malzemeler boşluklar içermiyordu, ancak daha sonra MOF'lara yol açacak aynı metal-organik kimyasına dayanıyordu. 1980'lerin sonlarında, bazı koordinasyon polimerlerinin, linker'ların sıvı çözücü moleküllerin etrafında üç boyutlu düzenlemeler oluşturduğu kafes benzeri yapılar olarak hazırlanabileceği öne sürüldü.
Bu durum, bir kristalin içeriğinin yaklaşık üçte ikisinin aslında sıvı olduğu 'olağandışı bir durum' olarak tanımlanmıştı. 1990'ların ortalarında ise, çözücü moleküller boşluklardan çıkarıldıktan sonra bile yapısını koruyabilen koordinasyon polimerlerinin hazırlanabileceği gösterildi. Bu, bu tür kafeslerin kırılgan olacağı ve çözücü çıkarıldığında çökeceği yönündeki yaygın varsayımı ortadan kaldıran şaşırtıcı bir sonuçtu.
1997'de, bu açık boşlukların gaz moleküllerini absorbe etmek için kullanılabileceği ve birçok durumda gaz molekülleri emildiğinde yapının genişlediği, salındığında ise daraldığı ortaya konuldu. Kalıcı, açık boşluklara sahip bu koordinasyon polimerleri, MOF'lar olarak tanınmaya başlandı.
Bu üç bilim insanının keşifleri, modern MOF kimyasının doğuşunu simgeledi ve o zamandan bu yana binlerce araştırma makalesi yayınlandı.
Geniş Uygulama Alanları
Peki MOF'lar kimyagerler için neden bu kadar ilgi çekici? MOF'lar içindeki mikroskobik boşluklar, kimyanın gerçekleşmesi için benzersiz ve kontrol edilebilir bir alan sunuyor.
MOF'ların temel kullanım alanlarından biri gaz depolama. Birçok durumda, bu malzemeler gazları serbest gaz hallerinden çok daha yüksek yoğunluklarda depolayabiliyor. Bu, hidrojen yakıtının mümkün olduğunca verimli taşınması gereken yakıt hücresiyle çalışan araçlar gibi yeşil teknolojiler için önemli avantajlar sunuyor.
Birçok MOF, belirli gazlar için özellikle iyi çalışıyor. Bu da egzoz gazlarındaki karışımları ayırmaya veya küresel ısınmanın etkilerini azaltmak için havadan CO₂ yakalamaya yardımcı olabilecekleri anlamına geliyor.
MOF'lar, boşluklarda gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar için etkili katalizörler olarak da görev yapabilir. MOF'ların katalizör olarak en önemli avantajlarından biri, belirli bir amaç için özellikleri ayarlamak üzere metal ve karbon bazlı bağlantı elemanlarını değiştirmek ve değiştirmek kimyagerler için nispeten basittir.
Gaz moleküllerinin yanı sıra, MOF'lar farmasötikler gibi diğer küçük molekülleri de barındırabilir. Bu, ilaçları belirli bir hedefe depolamak ve iletmek için kullanılabilecekleri anlamına gelir; gözenekli yapıları, terapötik kimyasalların kontrollü salınımını sağlar.
Son yıllarda, MOF'lar piller, termal enerji depolama ve kimyasal sensörler (kontaminantlar gibi kimyasalları izleyip algılayabilen cihazlar) gibi birçok başka uygulama için umut vaat ediyor. Heyecan verici bir şekilde, henüz keşfedilmemiş daha birçok uygulama alanı bulunuyor.
Otuz yıldan uzun süre önce keşfedilmiş olmalarına rağmen, MOF'lar malzeme kimyasındaki en sıcak araştırma alanlarından biri olmaya devam ediyor ve şüphesiz uzun yıllar boyunca da bu özelliğini koruyacaktır.
