Как научить металл «дышать», «поглощать» воду, впитывать и хранить опасные вещества — об этом ученые стали задумываться с конца 1980-х годов. Однако только трем из них удалось осуществить задуманное. Это профессор Мельбурнского университета Ричард Робсон, Сусуми Китагава из Киотского университета и Омар Ягхи из Калифорнийского университета в Беркли. Им удалось создать пористые металлоорганические каркасные структуры, через которые могут проходить или удерживаться газы и другие химические вещества. За это им была присуждена Нобелевская премия по химии.
Металлоорганические каркасы (МОК) представляют собой материалы с пористой структурой, похожей на губку. Их кристаллическая решетка состоит из узловых металлических шариков, связанных между собой органическими молекулами. Они образуют трехмерную структуру с крошечными пустотами. Благодаря этим пустотам МОК получаются очень легкими и имеют большую площадь поверхности. Это их свойство и явилось основным для поглощения газов и прочих веществ. Особенность пор МОК поглощать и удерживать химические элементы зависит от изменения их размеров под воздействием температуры, газов, жидкостей и других факторов. Сами каркасы (на самом деле они выглядят в виде пленок разной толщины или порошка) могут быть твердыми или пластичными, в зависимости от того, для чего они применяются. Сегодня они используются для сбора воды из воздуха в пустынях, ими улавливают для последующей утилизации углекислый газ на предприятиях, в них хранятся токсичные газы. Но такими совершенными металлоорганические каркасы стали не сразу.
Один из нобелиатов, Ричард Робсон, первым попытался по-новому использовать свойства атомов для получения новых материалов. В итоге у него получился объемный пористый кристалл, на вид чем-то напоминающий алмаз с наноразмерными дырочками (порами), но с одним недостатком: конструкция была нестабильна и быстро разрушалась. Но двое других ученых, Китагава и Ягхи, независимо друг от друга с 1992-го по 2003-й провели ряд экспериментов и показали, что полученная пористая конструкция может поглощать и возвращать газы, и, кроме того, ее можно сделать очень прочной.
Комментарий заведующей лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ Софьи Морозовой: «Металлоорганические соединения отличаются упорядоченной пористостью. Если в кристаллической структуре металлов или солей металлов мы можем увидеть поры, то они будут очень маленькие, а в полимерных материалах — слишком неоднородные по размеру и по форме. Металлоорганические каркасы позволяют создавать идеальные поры, с заданным размером, который контролируется использованием определенных соединений.
За счет такой контролируемой пористости эти материалы можно применять сразу в нескольких областях. Во-первых, их можно использовать как сорбционные материалы, когда они избирательно могут извлекать из окружающей среды какой-то атом или даже молекулу. Во-вторых, они крайне перспективны в органическом катализе, поскольку за счет заданного размера пор могут ускорять важные органические реакции для получения фармпрепаратов и других соединений. И делают они это почти так же эффективно, как ферменты. Ну и, в-третьих, благодаря этой полости они могут использоваться как хранители и переносчики как биомолекул, так и газов. Например, они весьма перспективны для хранения водорода. Это открывает новые возможности для электротранспорта на водородной энергетике, поскольку решит проблемы с безопасностью хранения этого вещества».