Цивилизация
Создали волшебную сумку Гермионы
Нобелевская премия-2025 по химии присуждена японцу Сусуму Китагаве, австралийцу Ричарду Робсону и американцу Омару Яги за создание металл-органических каркасных структур. Они смогли создать молекулярные конструкции с большими пространствами, в которые могут помещаться газы и другие химические вещества.
Нобелевский комитет по химии сравнил эти структуры с бездонной сумкой Гермионы из Гарри Поттера, из которой можно достать все что угодно: они очень маленькие снаружи, но могут хранить внутри себя большое количество материала. Дело в том, что эти конструкции — металл-органические каркасные структуры (англ. metal-organic frameworks, MOF) — можно использовать для получения воды из воздуха в пустыне, улавливания углекислого газа, хранения токсичных газов или катализа химических реакций.
«Представьте, как строители возводят леса. Часть лесов состоит из неорганических материалов, а часть — из органических молекул. Вместе они образуют уникальную структуру, которой нет в природе. В этом и заключается его прелесть — отсутствие природного аналога. Изменяя длину органических и неорганических элементов, можно регулировать размер внутренней полости, чего в природе сделать нельзя. Эта полость позволяет веществам либо химически преобразовываться, либо оставаться внутри», – объяснил «Газете.Ru» старший научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов МФТИ, доцент кафедры физической химии МФТИ Иван Шуклов.
Гости-молекулы
Металл-органические каркасы — это новый тип соединений, которые изобрели только на рубеже XX-XXI века. Они обладают очень сильно развитой поверхностью, – это так называемые пористые материалы, глубину и ширину пор в которых можно варьировать по своему усмотрению. До этого человечество использовало только натуральные материалы с порами, которые уже были заданы природой.
«В одной ложечке металл-органического каркаса массой один грамм умещается площадь внутренней поверхности футбольного поля. По правилам FIFA – это 7400 квадратных метров», – объяснил «Газете.Ru» один из самых главных специалистов в России по созданию металл-органических каркасов Владимир Федин, — академик РАН, заведующий отделом химии координационных, кластерных и супрамолекулярных соединений Института неорганической химии (Новосибирск).
Нобелиатам удалось их создать, соединив органическую химию с неорганической.
Конечно, первые такие микс-материалы появились еще в середине ХХ века, но тогда удалось соединить металл только с атомами углерода. И за это тоже была присуждена Нобелевская премия по химии в 1954 году. Теперь же металлы можно соединить с любыми другими атомами: например, кислорода, или азота.
«Нобелиаты создали решетку с пространством, которое может включать разные молекулы, – мы, ученые, говорим «гостей». Гости могут быть разными, могут быть большие или маленькие молекулы. Маленькие гости легко входят в такой каркас, а с большими была проблема. Благодаря новым металл-органическим каркасам, ее удалось решить», – пояснил Федин.
Зачем людям понадобились материалы с таким количеством пор?
Достижения химиков в создании новых функциональных материалов сильно сильно связаны с их пористостью. Наш мир состоит из полимеров, – из них состоит и сам человек. Наиболее используемый в промышленности полимер – это полиэтилен.
«Когда мы делаем полиэтилен, очень важно отделить этилен и этан, – это молекулы с чрезвычайно близкими свойствами. Их делят в промышленности в огромных количествах, но делают это методом криогенной дистилляции. На это идет огромное количество энергии. А если сделать это с помощью металл -органических каркасов, процесс разделения становится низкоэнергетически затратным. То есть мы экономим энергию», – говорит академик Федин.
Применение металл-органических каркасов – это современная охрана окружающей среды, очистка от парниковых газов. На их основе получаются аккумуляторы с самыми лучшими характеристиками. Они дают возможность добывать воду в пустыне, так как поры впитывают мельчайшие частички воды даже в самом сухом и жарком климате.
В России работают с металл-органическими каркасами?
В Новосибирском Институте неорганической химии СО РАН существует одна из самых сильных лабораторий, где работают с металл-органическими каркасами. С их помощью разделяют углеводороды на отдельные фракции, например, этан и этилен, пропан, пропен, бензол и другие. Это все важные промышленные процессы, и новосибирские ученые предлагают дешевую альтернативу для традиционных методов разделения.
Еще одно важное направление — это разработка очень простых сенсоров.
«Любой обыватель может дома проверить курицу, которую он купил, и выяснить насколько в ней много антибиотиков. Мы создали очень чувствительные сенсоры на основе металл-органических каркасов, который с помощью пор может впитать даже небольшие количества антибиотика, содержащихся в пище», – говорит академик Федин.
Подобный сенсор создан также для того, чтобы найти примеси дешевого хлопкового масла в подсолнечном масле. Эта проблема особенно актуальна для Китая.
Также в России созданием новых материалов с металл-органическими каркасами занимаются в Институте общей органической химии им. Курнакова, в Институте физической химии и электрохимии им. Фрумкина, НИТУ МИСИС.
«В НИТУ МИСИС, например, мы с помощью таких структур разрабатываем новые катализаторы, которые позволяют перерабатывать углекислый газ в компоненты топлива. Это направление может стать основой для промышленных технологий, которые одновременно решают экологические задачи и приносят экономическую выгоду», — рассказал «Газете.Ru» старший научный сотрудник лаборатории нанохимии и экологии НИТУ МИСИС Александр Кустов.
Открытие настаивалось 10 лет
Ричард Робсон родился 4 июня 1937 года в Великобритании. Он изучал химию в Оксфордском университете, а после этого начал учиться в Калифорнийском технологическом институте и в Стэнфордском университете, после чего преподавал химию в Мельбурнском университете.
Как признавался ученый, вдохновением для создания координационных полимеров послужили деревянные модели. В 1974 году профессор Ричард Робсон, в то время преподаватель факультета неорганической химии Мельбурнского университета, получил приглашение от заведующего кафедрой профессора Дона Стрэнкса создать большие деревянные модели кристаллических структур для лекций по химии для первокурсников.
Ни он, ни кто-либо другой не подозревали, что эти вещества — хлорид натрия, хлорид цезия, флюорит, сфалерит, вюрцит, рутил и другие — станут основой для совершенно новой области химии. Чтобы создать эти модели, профессор Робсон собрал деревянные шарики разных цветов, обозначающие атомы (например, натрий и хлор в кристалле соли), и соединил их стержнями в правильном порядке, чтобы воспроизвести расположение атомов в кристаллах.
«Итак, мне нужно было рассчитать углы, что для меня было в новинку. В мастерской нужно было просверлить отверстия в деревянных шарах под этими углами, чтобы можно было собрать модели, и для этой работы я использовал тригонометрические таблицы», — рассказал ученый в 2019 году журналу Pursuit.
Робсон осознал, что в прикладном контексте можно использовать молекулы вместо шариков, а химические связи — вместо стержней. Однако идея настаивалась 10 лет: все время профессор доставал деревянные модели для лекции первокурсникам и думал про себя: «Эта идея может оказаться полезной», а затем убирал и продолжал преподавать и заниматься другими исследованиями. В конце концов ученый попытался создать в лаборатории алмаз.
«В то время любой здравомыслящий химик сказал бы, что наши шансы на создание кристалла равны нулю, что мы получим спутанное птичье гнездо — аморфную, неприятную на ощупь массу, с которой невозможно работать», — добавил в том же интервью ученый.
В результате же, после новаторских открытий лауреатов, химики создали десятки тысяч различных металл-органических каркасов.
Полезные бесполезности
Сусуми Китагава родился в 1951 году в Японии. Он очень плодовитый ученый: профессор опубликовал более 600 научных статей в международных журналах, и эти статьи цитировались свыше 25 000 раз.
«На меня произвели большое впечатление мысли древнекитайского философа Чжуан-цзы. В частности, меня сильно привлекло понятие «полезность бесполезного». В настоящее время большинство исследователей сосредоточены на создании так называемых полезных материалов. Однако концепция «полезности бесполезного» напомнила мне о необходимости изучить некоторые, казалось бы, «бесполезные» темы, например, пористые структуры. Люди думали, что мы проводим «бесполезные» исследования, потому что не осознавали потенциал, казалось бы, тривиального пространства внутри пор. Здесь, в Университете Киото, мы придерживаемся очень сильной тенденции в выборе тем для научных исследований — всегда находим что-то, о чем никто не мог подумать, что никого не волнует, и пытаемся открыть совершенно новую область. Другими словами, это то же самое, что и концепция «полезности бесполезного», – рассказал ученый в интервью для ACS Materials Letters в 2019 году.
О личной жизни Китагавы известно мало, однако он сам признавался, что любит устраивать стендапы для студентов и пить с ними вино, гулять, кататься на велосипеде. Больше всего ценит умение работать в команде и управлять людьми.
«Мои хобби — прогулки пешком и езда на велосипеде. Занимаясь этим, я могу не только находить хорошие идеи для исследований, но и решения сложных проблем в работе директора. Я также люблю пить вино. Мне нравится выпивать со своими сотрудниками и студентами. Часто я очень занят, но приложу все усилия, чтобы найти возможность обсудить это индивидуально с членами группы. Днем у меня нет времени обучать своих студентов различным навыкам, таким как публичные выступления. Поэтому вечером, когда мы устраиваем вечеринку, то я прошу всех членов группы встать и что-нибудь сказать. Это очень важно. У большинства студентов нет опыта выступлений перед большим количеством людей. Когда они впервые присоединяются к моей группе, они могут быть застенчивыми и говорить не более 20 секунд. Через год после обучения они могут говорить 20 минут или даже дольше. Такие навыки важны для их будущих собеседований», – рассказал ученый в том же интервью.
Беженец из Палестины
Омар Яги родился в 1965 году в Аммане (Иордания) в многодетной семье беженцев из Палестины: у него десять братьев и три сестры. Все они жили вместе в одной комнате без электричества. Кроме того, его семья получала воду лишь раз в две недели, — позже этот опыт вдохновил ученого заняться разработкой материалов, способных извлекать влагу из воздуха.
В 15 лет он переехал в США по настоянию своего отца.
«Я приехал в США, не закончив среднюю школу. Я снял трубку, позвонил своей семье и на вопрос: «Чем я буду заниматься в Америке?» они ответили: «Сходи в ближайший колледж и покажи им свои оценки за девятый класс». Однако, когда я показал им свои оценки, они сказали, что не могут меня принять, потому что у меня нет аттестата о среднем образовании. Мне сказали, что я могу посещать занятия, которые обычно посещают первокурсники, и если я буду хорошо учиться, то в конце семестра меня зачислят в колледж. В итоге у меня все получилось», — рассказал ученый Berkeley Scienti!c Journal в 2019 году.
В итоге Омар Яги закончил Иллинойский университет, а потом стал аспирантом в Гарварде и ассистентом профессора Мичиганского университета. В конце концов он сам стал профессором химии.
В 2025 году попечительский совет Калифорнийского университета присвоил Яги звание университетского профессора — высшую награду Калифорнийского университета, присуждаемую ученым с самыми высокими международными наградами.
«Я родился в Аммане, Иордания, и обнаружил свою страсть к химии в возрасте десяти лет. Посещая нашу школьную библиотеку, я увидел молекулярные рисунки и навсегда в них влюбился. Это стало моим призванием в жизни. Я рос в скромных условиях, и мой отец призывал меня учиться, чтобы изменить свою жизнь к лучшему. В 15 лет я переехал в Соединенные Штаты, чтобы учиться, и в итоге защитил докторскую диссертацию по химии. Моя ранняя любовь к молекулярным структурам заложила основы для моего последующего интереса к материаловедению», — рассказал он в интервью журналу Nature Review в 2025 году.
Ученый признавался, что не раз сталкивался со сомнениями коллег, которые были уверены в бесполезности его работ.
«Когда мы сделали первые открытия в этой области, я был поражен волной скептицизма, которая нахлынула на нас <...> Со временем я выработал то, что я называю правилом 5%: когда 95% людей сомневаются в вас, все равно остаются те самые 5%, которые признают ценность того, что вы пытаетесь сделать. Это те люди, на которых вы ориентируетесь. Вы серьезно относитесь к критике, но, в конечном счете, доверяете своим инстинктам и делаете то, что, по вашему мнению, необходимо сделать. Остальное — что ж, вы не обращаете на это внимания», — признался ученый в том же интервью.