Лауреат Нобелевской премии Омар Яги заявил, что его изобретение изменит мир

Цивилизации называют свой возраст в честь материалов. В школе мы узнаем о каменном веке, бронзовом веке, а сейчас мы живем в кремниевом веке, характеризующемся компьютерами и телефонами. Что может определить следующую эпоху? Омар Яги из Калифорнийского университета в Беркли считает, что семейство материалов, которые он помог разработать в 1990-х годах, имеет хороший шанс. Это металлоорганические каркасы (МОФ), и разработка способов их изготовления принесла ему долю Нобелевская премия по химии 2025 года.

MOF и их родственники ковалентные органические каркасы (COF) представляют собой кристаллические материалы, но их отличает невероятная пористость. В 1999 году Яги и его коллеги произвели фурор, когда синтезировали материал на основе цинка под названием MOF-5, который был настолько пронизан порами, что площадь внутренней поверхности пары граммов его была сравнима с футбольным полем (см. диаграмму ниже). Внутри материал был намного больше, чем снаружи.

На протяжении десятилетий Яги был в авангарде создания новых MOF и COF, дисциплины, известной как ретикулярная химия, и выяснял, насколько полезными они могут быть. Поскольку другие молекулы могут быть втянуты в многочисленные поры этих материалов, они прекрасно справляются с этой задачей. сбор воды из засушливого воздуха пустынипоглощая углекислый газ из атмосферы и многое другое. Яги говорил с Новый учёный о том, почему он с оптимизмом смотрит на эту работу, на прошлое, настоящее и будущее ретикулярной химии – и почему он считает, что эра этих материалов наступает.

Кармела Падавик-Каллаган: Что вас изначально зацепило в ретикулярной химии?

Омар Яги: Когда мы начали работать с министерствами финансов, мы не думали, что будем решать социальные проблемы – это была интеллектуальная задача. Мы хотели найти способ создавать материалы по одной молекуле за раз, например, строить здания, или программировать молекулы, как в Lego. Но это была действительно сложная химическая задача. Для многих людей было воспринято как символ веры, что это не сработает, что стремление к этому было пустой тратой времени.

Почему создание материалов таким способом казалось невозможным?

Основная проблема рационального использования строительных материалов заключается в том, что, как правило, когда вы смешиваете химические строительные блоки, в конечном итоге они соединяются беспорядочным образом, который трудно охарактеризовать. Это неудивительно, учитывая законы физики, которые говорят нам, что природа стремится к высокой энтропии или беспорядку. Вместо этого мы хотели получить кристаллы, упорядоченную материю с повторяющейся периодической структурой.

Это немного похоже на то, как попросить детей в комнате сделать идеальный круг: это требует тяжелой работы, и когда они это делают, они все равно могут разъединиться или «разжать» руки, а затем потребуется слишком много времени, чтобы снова завершить круг. Другими словами, мы пытались сделать то, что делает природа, когда она кристаллизует алмазы в течение миллиардов лет – но за один день. Но в глубине души я знал, что всё можно кристаллизовать, если знать как.

яВ 1999 году ваши инстинкты оказались верными, и ваша команда сообщила о синтез МОФ-5который был беспрецедентно стабильным. Ожидали ли вы, что подобный материал в конечном итоге может стать полезным?

Мы определили растворитель, который мог бы помочь синтезировать стабильные MOF, а затем смогли понять, как он работает. Мы поняли, что наличие смеси его молекул имеет решающее значение для модуляции тенденции к беспорядку. С тех пор тысячи исследователей использовали этот метод.

Вначале мне просто хотелось делать красивые кристаллы. Затем мы увидели их великолепные свойства и могли сказать: «Ух ты, что мы можем с этим сделать?» И как только вы узнаете, какую пористость имеют эти материалы, вы сразу же задумаетесь об улавливании газов. Эти материалы охватывают отсеки пространства, в которых может находиться молекула воды, углекислого газа или чего-то еще.

Расскажите мне, что вы думаете о создании этих материалов в наши дни.

Когда я готовлю, мне не нравится делать больше трех шагов, и я не использую сливочное масло. Итак, задача состоит в том, как приготовить оригинальное блюдо за несколько шагов и использовать только полезные ингредиенты. Эта философия также проникла в мою химию. Другими словами, я хочу, чтобы процесс был простым и использовал только те химикаты, которые нам действительно нужны.

Первым шагом является выбор основы материала. Второй – определиться с размером пор. Вы также можете провести химическую обработку скелета и добавить к нему молекулы, чтобы помочь захватить в поры другие соединения. Третий шаг — позволить углекислому газу или тому, для чего вы построили этот материал, всасываться. Вот насколько прост и сложен этот процесс.

Какие новые технологии позволил вам реализовать этот процесс?

Как только вы научитесь создавать материалы на молекулярном уровне, это станет высшим достижением — геологическим сдвигом. Мое видение и видение компании, которую я основал в 2020 году: Атокоэто перейти от молекулы к обществу, посмотреть места, где нет материала для какой-то задачи или оно делает это плохо, а затем рационально спроектировать лучшее. По мере того, как мы становимся лучше в производстве материалов, мы будем улучшать социальные стандарты.

В 2024 году мы сообщили о лучшем на сегодняшний день материале для улавливания углекислого газа, названном КОФ-999. Он захватывает его из воздуха, и мы протестировали его на более чем 100 циклах захвата. [expelling] углекислый газ здесь, в Беркли. Atoco стремится использовать сетчатые материалы, такие как COF-999, для создания модулей улавливания углерода, которые могут работать как в промышленных условиях, так и в жилых зданиях.

Мы также разработали материалы, которые могут улавливать тысячи литров воды в день из атмосферы. Это основа наших устройств, которые могут извлекать водяной пар из воздуха даже в местах, где влажность ниже 20 процентов, например, в пустынных районах Невады. Я думаю, что через 10 лет сбор воды станет повседневной технологией.

Существуют и другие технологии, способные улавливать воду, например устройства, конденсирующие атмосферные пары, а также устройства, способные улавливать CO2. Как сравниваются MOF и COF?

Мы настолько контролируем химию, что можем производить наши устройства экологически безопасным способом. Они могли бы работать много-много лет, а в конце пути МОФ-части устройства можно разобрать его в воде таким образом, чтобы ни один МОФ не ускользнул в окружающую среду. Таким образом, в мире, где MOF масштабируются до нескольких тонн и используются во многих различных приложениях, мы не столкнемся с «проблемой отходов MOF».

И эти устройства могут быть намного более энергоэффективными, потому что мы, например, разработали, как использовать окружающий солнечный свет, чтобы заставить водосборщики сбрасывать воду. Для устройств улавливания углерода мы также могли бы использовать отходящее тепло промышленных процессов. [to get them to release CO2]что сделало бы их более экономичными и устойчивыми, чем конкурирующие технологии.

Но по-прежнему существуют проблемы с масштабируемостью, обеспечением химической стабильности материалов и точным контролем над тем, как и когда они высвобождают молекулы, которые всасывают из окружающей среды. Например, мы уже можем производить COF в тоннах, но пока не можем производить COF в таких больших количествах. Я подозреваю, что через несколько лет мы вырастем. Другой пример: для еще лучшего сбора воды нам необходимо оптимизировать то, как материалы удерживают воду – она не может быть слишком прочной или слишком слабой.

Мы теперь также используем агенты искусственного интеллекта чтобы помочь оптимизировать MOF и COF и сделать процесс проектирования максимально эффективным. В целом, сделать MOF или COF несложно, но на создание устройства со специально оптимизированными свойствами может уйти год. Если бы ИИ-агент мог делать это быстрее, это было бы трансформацией. Я пошел в лабораторию и посоветовал всем попробовать использовать большие языковые модели, и мы уже удвоили скорость создания новых MOF.

Какие применения ретикулярной химии, по вашему мнению, должны заинтересовать больше людей?

Ретикулярный химия в настоящее время это огромная область: миллионы новых MOF все еще могут быть созданы, а химики ведут себя немного как дети в кондитерской. Одна из привлекательных идей — использовать MOF для того, чтобы делать то, что делают ферменты, когда они ускоряют химические реакции — процесс, называемый катализом, который может помочь синтезировать полезные химические вещества, например, при разработке лекарств. У нас есть MOF, которые могут делать то же, что и ферменты, но они могут работать дольше, чем ферменты. Это созрело для использования в биологических целях, для терапияв ближайшее десятилетие или около того.

Но я думаю, что следующие лучшие варианты использования будут связаны с «многовариантными материалами», то есть исследованиями, о которых мало что слышно, потому что они проводятся только в моей лаборатории. Здесь мы хотим создать MOF, которые не имеют одинаковой структуры, но имеют совершенно разную среду внутри себя. Мы можем сделать их из разных модулей, «украшенных» разными соединениями, поэтому внутри материала будет очень разная микросреда, которая заставит конкретные молекулы совершать определенные действия. В ходе экспериментов мы уже смогли использовать это для создания материалов, которые поглощают газы более избирательно и эффективно. Это также сдвиг в мышлении химиков. Химики не привыкли думать о создании гетерогенных или неровных материалов, но нам нужен очень упорядоченный скелет для материала, объединенного с очень неоднородными внутренностями.

Что вселяет в вас оптимизм относительно будущего МФ и COF? «Чудо-материалы» приходили и уходили раньше.

Мы только что коснулись здесь поверхности, и у нас нет недостатка в идеях. Область расширяется с 1990-х годов. Часто исследовательские интересы со временем снижаются, но здесь этого не произошло, и если вы посмотрите на рост числа патентов, связанных с MOF и COF, вы увидите и там экспоненциальный рост. Люди все еще ищут способы не только решить интеллектуальные задачи по химииа найти новые применения и применения этим материалам. И мне нравится, как эта работа объединяет органическую и неорганическую химию в одну область, а теперь она также привлекает инженерию и искусственный интеллект. Это стало больше, чем просто химия: этот тип исследований представляет собой настоящий научный рубеж.

Я думаю, что мы переживаем революцию. Не всегда так кажется, но происходит что-то особенное. Мы можем разрабатывать материалы так, как никогда раньше, и использовать их для использования так, как никогда раньше.

Темы:

• химия /
• материаловедение