چارچوب‌های فلزی–آلی (MOF)؛ انقلابی در دنیای مواد متخلخل
در روز چهارشنبه ۸ اکتبر ۲۰۲۵، جایزۀ نوبل شیمی به سه پژوهشگر برجسته اهدا شد: سوسومو کیتاگاوا از دانشگاه کیوتو، ریچارد رابسون از دانشگاه ملبورن، و عمر ام. یاگی از دانشگاه کالیفرنیا برکلی. این جایزه به پاس توسعه و ترویج چارچوب‌های فلزی–آلی (Metal-Organic Frameworks یا MOF) که به نام شیمی فلزی آلی نیز شناخته میشود، به آن‌ها تعلق گرفت؛ موادی دارای تخلخل بسیار زیاد که از آن‌ها به‌عنوان «اتاق‌هایی برای شیمی» یاد شده است. این ساختارها با داشتن سطح داخلی پهناور (در برخی موارد به بیش از ۷۰۰۰ متر مربع در هر گرم) قادرند گازها، مولکول‌های آلی و ترکیبات دیگر را در فضای پُر از منافذ خود ذخیره، جداسازی یا برهم‌کنش دهند. کاربردهای بالقوۀ آن‌ها گسترده است: از ذخیره‌سازی گاز (مثل هیدروژن یا متان)، جداسازی CO₂، تصفیه‌ی آب، جداسازی آلودگی‌ها (از جمله ترکیبات “جاودان” یا PFAS)، تا برداشت آب از هوا و کاتالیز شیمیایی. آکادمی سلطنتی علوم سوئد در بیانیۀ رسمی خود می‌گوید این مواد «معماری مولکولی تازه‌ای» پدید آورده‌اند که امکان طراحی هدفمند خواص مواد را فراهم می‌کنند.
اعلام برندگان
اعلام رسمی جایزه روز چهارشنبه، ۸ اکتبر ۲۰۲۵، رأس ساعت ۱۱:۴۵ به وقت اروپای مرکزی تابستانی انجام شد. هانس اِلِگرن (Hans Ellegren)، دبیرکل آکادمی سلطنتی علوم سوئد، به همراه هینر لینکه (Heiner Linke)، رئیس کمیتۀ نوبل شیمی، و اولوف رامستروم (Olof Ramström)، عضو کمیته، در کنفرانس مطبوعاتی حاضر شدند.
در این کنفرانس، لینکه MOFها را به کیف هری پاتر – «Hermione’s handbag» – تشبیه کرد؛ به این معنا که در سطح کوچک می‌توانند ظرفیت عظیمی برای نگهداری مولکول‌ها داشته باشند. مراسم به‌صورت زنده از طریق وبسایت نوبل و پخش آنلاین (از جمله یوتیوب رسمی) پوشش داده شد.
مبلغ جایزه ۱۱ میلیون کرون سوئد است که به‌صورت مساوی بین سه برنده تقسیم میشود وقتی خبر اعلام شد، کیتاگاوا و رابسون ابراز شادمانی و سپاس کردند. عمر یاگی در آن لحظه در مسیر پرواز به کنفرانس بود و از طریق تماس تلفنی واکنش خود را ابراز نمود در بیانیۀ آکادمی آمده که اختراع MOFها یک گشایش در طراحی مولکولی است و کاربردهای زیست‌محیطی و صنعتی فراوان دارد.
زندگی‌نامۀ برندگان
سوسومو کیتاگاوا
سوسومو کیتاگاوا (متولد ۱۹۵۱ در کیوتو، ژاپن) است. او دکترایش را در سال ۱۹۷۹ از دانشگاه کیوتو دریافت کرد. پس از آن به محقق و استاد در همین دانشگاه تبدیل شد. کیتاگاوا یکی از پیشگامان عرصۀ ترکیبات هماهنگی است و در پیشرفت MOFها نقش بنیادین داشته است. در حوزۀ تحقیقاتی او، یکی از ابتداها بر پایداری ساختارها و امکان عبور و باز و بسته‌شدن منافذ تمرکز بوده است.
ریچارد رابسون
ریچارد رابسون در سال ۱۹۳۷ در گلاسبرن (Glusburn)، بریتانیا به دنیا آمد دکترایش را در سال ۱۹۶۲ از دانشگاه آکسفورد گرفت. او پس از آن به دانشگاه ملبورن در استرالیا پیوست و در آنجا فعالیت کرد. از کارهای او به عنوان نقطۀ شروع طراحی شبکه‌های مولکولی و مفهوم ساختارهای متخلخل قابل تعریف یاد میشود. در واقع در اطلاعیه نوبل گفته شده که کار او در ۱۹۸۹ با ترکیب یون مس و مولکول‌های چهار بازویی آغاز شد که به ساخت کریستال‌هایی با فضاهای خالی منظم انجامید.
عمر ام. یاگی
عمر مونّس یاگی در تاریخ ۹ فوریۀ ۱۹۶۵ در امان، پایتخت اردن به دنیا آمد. او در خانواده‌ای فلسطینی ریشه‌دار رشد کرد. تحصیلات عالی او شامل مقطع لیسانس در دانشگاه SUNY Albany و سپس دکترای خود را در سال ۱۹۹۰ از دانشگاه ایلینوی Urbana–Champaign گرفت.
پس از دورۀ پسادکترای خود، سمت‌های دانشگاهی متعددی را در دانشگاه‌های آمریکایی بر عهده گرفت و سرانجام به UC Berkeley پیوست.
یاغی مفهومی به نام «شیمی رتیکولار» (reticular chemistry) را پیش برد؛ یعنی طراحی ساختارهای بلوری باز با استفاده از بلوک‌های مولکولی متصل‌شونده به صورت نظام‌مند .
گزارش دانشگاه برکلی می‌گوید که یاغی از هواپیما به کنفرانس در بروکسل می‌رفته و در ترانزیت خبر برنده شدن را شنید.
دستاوردهای علمی برندگان: چطور MOFها شکل گرفتند؟
چارچوب‌های فلزی–آلی یا MOFها ساختارهای بلوری سه‌بعدی هستند که از گره‌های فلزی (مانند یون‌هایی از فلزاتی مثل روی، مس، کلسیم و غیره) و لینک‌دهنده‌های آلی (مولکول‌های آلی دارای گروه‌های جفت الکترون) ساخته می‌شوند. این گره‌ها و لینک‌ها به‌صورت شبکه‌ای منظم به هم متصل‌اند و فضاهای خالی بزرگ (منافذ) در دل ساختار تشکیل می‌دهند. با تغییر انتخاب گره‌ها و لینک‌ها، می‌توان خواص MOFها را برای جاذب یا جداساز خاص طراحی کرد.
در اطلاعیۀ نوبل آمده است که کار رابسون از ۱۹۸۹ آغاز شد—او یون مس را با مولکولی چهار بازویی ترکیب کرد، حاصل کریستالی بود با فضای خالی زیاد، شبیه به الماسی پر از منافذ؛ اما این ساختار ناپایدار بود و به‌راحتی فرو می‌ریخت. کیتاگاوا و یاغی بعداً آن روش را به شکلی تقویت کردند که پایدار باشد و بتوان گازها را به‌داخل و خارج ساخت .
کیتاگاوا نشان داد که MOFها می‌توانند تنفس کنند — یعنی گازها می‌توانند وارد و خارج شوند — و برخی ساختارها قابلیت انعطاف پذیری (تغییر شکل ساختاری هنگام پر شدن یا خالی شدن گاز) را داشتند.
یاغی الگویی برای طراحی منطقی (rational design) ساختارها ارائه داد و مهم‌تر اینکه ساختارهایی با پایداری بالا ساخت، که قابلیت کاربردی در شرایط عملیاتی داشته باشند.
پس از آن، دانشمندان در سراسر جهان ده‌ها هزار نوع MOF مختلف مهندسی کرده‌اند تا برای کاربردهای خاص (جذب گاز، جداسازی، کاتالیز، برداشت آب، جداسازی آلودگی‌ها و غیره) مناسب شوند.
باکس‌های توضیحی برای گزارش نوبل شیمی ۲۰۲۵
. می‌توانید جست‌وجو کنید، همه را باز/ببندید، یا فقط موارد دلخواه را باز نگه دارید.
اهمیت کاربردی MOFها و چالش‌ها
ظرفیت سطحی (مساحت داخلی)
یکی از ویژگی‌های برجسته MOFها، سطح داخلی بسیار زیاد آن‌هاست. در برخی ساختارها، اندازۀ این سطح به بیش از ۷۰۰۰ متر مربع بر گرم گزارش شده است، که به معنای وجود سطح داخلی به اندازۀ زمین فوتبال در حجمی کوچک است به عنوان مثال، NU-110E یکی از MOFهایی است که چنین رکوردی دارد. (منابع معتبر ادعا می‌کنند ~۷۱۰۰ m²/g)
ذخیره‌سازی گاز
یکی از زمینه‌های پرطرفدار کاربرد MOFها، ذخیرۀ گازهایی مانند هیدروژن، متان یا گازهای صنعتی است. در شرایط دمای پایین (کرایوژِنیک) و فشار بالا، برخی MOFها ظرفیتی بیش از ۵ تا ۱۰ درصد وزنی (wt%) نشان داده‌اند. اما در دمای معمولی (شرایط اتاق) عملکرد آن‌ها بسیار پایین‌تر است (معمولاً کمتر از ۱٪). یعنی در حال حاضر هیچ MOFی در شرایط عملیاتی روزمره با ظرفیت بالا عرضه نشده است.
لذا نمی‌توان گفت MOFها جایگزین باتری لیتیوم-یون می‌شوند؛ بلکه ممکن است در سیستم‌های انرژی هیبرید یا سلول سوختی به کار روند.
جذب CO₂ و جداسازی گازها
MOFها با انتخاب لینک‌دهنده‌ها و گره‌ها می‌توانند برای جذب CO₂ یا جداسازی گازهای دیگر طراحی شوند. اما ادعاهایی چون «۹۰٪ حذف CO₂ از دودکش» به‌طور کلی در اطلاعیه‌ای رسمی پیدا نشد. امکان جذب بالا وجود دارد اما در محیط صنعتی باید دستگاه‌های بزرگ، شرایط جریان گاز، دما و فشار را هم در نظر گرفت.
برداشت آب از هوا
یکی از کاربردهای جالب MOFها، برداشت رطوبت از هوای بیابانی و تبدیل آن به آب مایع است. یکی از MOFهای مورد توجه MOF-303 است که در آزمایش‌های میدانی (برای مثال در شرایط بیابانی) عددی در حدود ۰.۲۸۵ لیتر به ازای هر کیلوگرم در هر روز گزارش شده است. برخی گزارش‌های صنعتی عددی نزدیک به ~۰.۷ لیتر/کیلوگرم/روز را ذکر کرده‌اند؛ اما این عملکرد به شرایط محیطی، طراحی دستگاه و بازده تبدیل بستگی دارد.
تصفیۀ آب و حذف آلاینده‌ها
MOFها پتانسیل جالبی در حذف ترکیبات سمی، فلزات سنگین و آلاینده‌های آلی مانند PFAS و داروهای باقیمانده دارند. به‌عنوان مثال، برخی MOFها می‌توانند مولکول‌های آلی بزرگ را در منافذ خود به دام بیندازند یا به‌عنوان کاتالیزور، آن‌ها را تجزیه کنند.
چالش‌ها و محدودیت‌ها
با وجود وعده‌های بزرگ، توسعه صنعتی MOFها مواجه است با چالش‌هایی چون هزینۀ تولید (خصوصاً برای مقیاس بزرگ)، پایداری در شرایط محیطی نامطلوب (رطوبت، حرارت، فشار)، قابلیت بازفعال‌سازی (بازیابی و استفادۀ مجدد) و مقیاس‌پذیری. برای اینکه یک MOF بتواند در صنعت وارد شود، باید نه فقط عملکرد خوب در آزمایشگاه بلکه دوام بالا و کارایی اقتصادی داشته باشد.
چشم‌انداز آینده و تأثیرات جهانی
بازار و پیش‌بینی رشد
بسیاری از شرکت‌ها و گزارش‌های تحلیل بازار، رشد سریع بازار MOFها را پیش‌بینی می‌کنند، اما برآوردهای دقیق متفاوت‌اند. برخی گزارش‌ها تا سال ۲۰۳۰ بازار MOFها را در حدود ۱ تا ۲ میلیارد دلار آمریکا پیش‌بینی کرده‌اند. (نه ۱۰ میلیارد)
این اختلاف به دلایل متفاوتی است: روند پذیرش صنعتی، رقابت با فناوری‌های دیگر، هزینه تولید و مقررات زیست‌محیطی.
توسعه MOFهای هوشمند
یکی از جهت‌های جذاب آینده، طراحی MOFهایی است که به محرک‌هایی مانند نور، دما، pH یا ولتاژ الکتریکی واکنش نشان دهند. چنین ساختارهایی می‌توانند در دارورسانی هوشمند، حسگرها، و کنترل آزادسازی مولکول‌ها کاربرد داشته باشند.
انتقال به انرژی پاک
در حوزۀ انرژی، اگر بتوان MOFهایی با ظرفیت بالا در دمای اتاق و فشار معمولی ساخت، امکان استفاده در ذخیره‌سازی هیدروژن یا گازهایی مانند متان به‌عنوان بخشی از سیستم سوختی وجود دارد. این امر می‌تواند به زنجیرۀ انرژی پاک و اقتصاد هیدروژنی کمک کند.
کاهش کربن و محیط زیست
MOFهای جاذب CO₂ می‌توانند در سیستم‌های جذب صنعتی گازهای گلخانه‌ای به‌کار روند و به کاهش انتشار کمک کنند. همچنین کاربردهای تصفیه آب و جداسازی آلاینده‌ها می‌تواند سلامت انسان‌ها و اکوسیستم‌ها را بهبود دهد.
چالش مقیاس‌پذیری
برای اینکه MOFها به کاربردهای صنعتی برسند، باید مشکلاتی مانند هزینۀ پیش‌تولید، ساخت عمده، فرآیند شیمیایی تولید پایدار، بازیابی و چرخۀ استفاده را حل کرد. همکاری میان دانشگاه، صنعت و دولت‌ها الزامی است.
آمار و دانستنی‌های جایزهٔ نوبل شیمی (۱۹۰۱–۲۰۲۵)
این باکس برای مخاطب عمومی طراحی شده: آمار اصلی، رکوردها، و چند نکتهٔ جالب دربارهٔ نوبل
• در آمار کلی نوبل (همهٔ رشته‌ها)، فقط دو نفر جایزه را نپذیرفته‌اند (هیچ‌کدام در شیمی نبودند).
• در خانوادهٔ کوری، سه جایزهٔ نوبل ثبت شده است (پیر/ماری کوری، ایرن ژولیوت-کوری).
واکنش‌ها و نقدها
پس از اعلام برندگان، رسانه‌ها و شبکه‌های اجتماعی واکنش‌های گسترده‌ای نشان دادند. بر اساس گزارش رویترز، رسانه‌ها MOFها را «کیف هری پاتر مولکولی» لقب دادند.
وبسایت آکادمی رسماً عملکرد MOFها را تحسین کرد و گفت این فناوری «اتاق‌هایی برای شیمی» ایجاد کرده است.
در دانشگاه کیوتو، کیتاگاوا به عنوان افتخار ملی مورد تجلیل قرار گرفت. همچنین دانشگاه برکلی مقاله‌ای منتشر کرد که تاکید می‌کند یاغی همکاری خود را از طریق آزمایش‌ها و طراحی منطقی گسترش داده است.
اما برخی نقدها نیز مطرح شده‌اند. برای مثال، در برخی محافل علمی و رسانه‌ای گفته شده است که سهم برخی پیشگامان اولیه (مانند همکاران رابسون) ممکن است کمتر تقدیر شده باشد. همچنین نگرانی‌هایی درباره فلزات استفاده شده در برخی MOFها، پایداری آن‌ها و هزینۀ زیستی تولید مطرح شده است.
به عنوان مثال، یکی از کارشناسان شیمی مواد اشاره کرده است که در چنین جوایزی، «تعیین سهم تاریخی افراد» همیشه چالش‌برانگیز است و نباید مصادرۀ افتخارات انجام شود، خصوصاً در تحقیقات میان‌رشته‌ای پیچیده.
جایزۀ نوبل شیمی ۲۰۲۵، با تقدیم به سوسومو کیتاگاوا، ریچارد رابسون و عمر ام. یاگی، تاکیدش را بر اهمیت تحول در علم مواد و طراحی مولکولی گذاشت. چارچوب‌های فلزی–آلی (MOF) نه تنها در سطح آزمایشگاهی انقلاب پدید آورده‌اند، بلکه راهی برای کاربردهای مهم در انرژی پاک، تصفیه آب، جداسازی آلاینده‌ها و دستاوردهای زیست‌محیطی باز کرده‌اند. اگرچه هنوز چالش‌هایی در مسیر تبدیل این فناوری به صنعت گسترده وجود دارد، اما دستاورد این سه دانشمند نشان می‌دهد که علم دقیق و طراحی هوشمند می‌تواند آینده‌ای پایدارتر بسازد.
MOFها، به‌مثابه «اتاق‌هایی مولکولی»، دستاوردی بزرگ هستند که مرز سنتی در طراحی مواد را جابه‌جا کرده‌اند؛ جایزه نوبل ۲۰۲۵ نقطه عطفی است در به رسمیت شناخته شدن این مسیر علمی.
