Hohle Materialien – der Schlüssel zum Nobelpreis für Chemie 2025

(Dan Tri) – Mit dem Nobelpreis für Chemie 2025 wurden gerade drei Wissenschaftler geehrt, die metallorganische Gerüste erfunden und damit eine neue Ära der Technologie zur Speicherung, Trennung und Verarbeitung von Materie auf molekularer Ebene eingeleitet haben.

Am Nachmittag des 8. Oktober gab die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften bekannt, dass der Nobelpreis für Chemie 2025 an drei Wissenschaftler, Susumu Kitagawa, Richard Robson und Omar M. Yaghi, für ihre bahnbrechenden Beiträge zur Entwicklung metallorganischer Gerüstverbindungen (MOFs) geht.

Porträts der drei Wissenschaftler, die 2025 den Nobelpreis für Chemie erhalten.

Laut der Nobelversammlung handelt es sich um einen Wendepunkt für die Entwicklung einer völlig neuen Sprache der Materialwissenschaften. Metalle und organische Verbindungen werden auf komplexe Weise zu porösen Netzwerken verknüpft, die Moleküle speichern, trennen und umwandeln können – eine Richtung, die in der modernen Energie-, Umwelt- und Chemietechnologie als revolutionär gilt.

Die magische Kombination aus Metall und Organischem

Metallorganische Gerüstverbindungen sind kristalline Strukturen, die aus Metallionen oder Metallclustern bestehen, die mit organischen Linkern in einer geordneten, sich wiederholenden Struktur verbunden sind und so ein dreidimensionales Netzwerk bilden.

Im Raum zwischen den Metallknoten und den Bindungsmolekülen befinden sich große Hohlräume, die dieses Material extrem porös machen. Im Gegensatz zu herkömmlichen festen Materialien kann die Oberfläche metallorganischer Gerüste Tausende von Quadratmetern pro Gramm erreichen.

Hohlstruktur im Inneren eines metallorganischen Gerüsts (Foto: MOF Technologies).

In einem Interview mit der Zeitschrift Chemistry World erklärte Professor Omar Yaghi 2017, dass die Porosität einiger MOFs 10.000 m2/Gramm erreichen kann (zehnmal größer als bei anderen porösen Materialien). Ein Gramm MOF kann eine innere Oberfläche besitzen, die etwa zwei American-Football-Feldern entspricht. Diese Eigenschaft verleiht MOFs die Fähigkeit, Moleküle kontrolliert zu adsorbieren, zu speichern oder zu trennen, und ist damit anderen porösen Materialien wie Zeolith oder Siliciumdioxid weit überlegen.

Laut Nobelkomitee handelt es sich dabei um „Materialien mit einer in der Natur beispiellosen Porosität, die dennoch die Stabilität und Nachhaltigkeit ihrer kristallinen Strukturen bewahren.“ Dank der Fähigkeit, die Flexibilität organischer Verbindungen mit der Haltbarkeit von Metallen zu kombinieren, sind metallorganische Gerüstverbindungen zu einer der wichtigsten Erfindungen der Chemie des 21. Jahrhunderts geworden.

Von der Idee zur wissenschaftlichen Revolution

Die Entwicklung metallorganischer Gerüstverbindungen ist eine Geschichte, die sich über mehr als drei Jahrzehnte erstreckt und mit den ersten Experimenten von Richard Robson an der Universität Melbourne (Australien) in den späten 1980er Jahren begann.

Er war ein Pionier bei der Konstruktion der ersten metallorganischen Gerüstverbindungen und erkannte, dass durch die Bindung von Metallionen an organische Moleküle kristalline Strukturen entstehen konnten, die sich in eine, zwei oder drei Dimensionen erstreckten. Diese frühen Materialien waren jedoch oft instabil und zerfielen, wenn sie Lösungsmitteln oder hohen Temperaturen ausgesetzt wurden.

Metallionen und organische Moleküle werden sorgfältig kombiniert, um eine Struktur zu bilden, die einem metallischen Tetraedergerüst ähnelt (Bild: Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften).

Mitte der 1990er Jahre hatte Susumu Kitagawa, damals an der Universität Kyoto, nachgewiesen, dass Gas in die von ihm entwickelten metallorganischen Kristallstrukturen eindringen und sich darin bewegen konnte. Dies war ein bedeutender Durchbruch, der erstmals zeigte, dass feste Materialien dynamisch mit ihrer Umgebung interagieren können.

Ebenfalls in dieser Zeit entwickelte der junge amerikanische Chemiker Omar M. Yaghi eine Synthesemethode zur Herstellung stabiler, thermisch stabiler metallorganischer Gerüstverbindungen mit präzise definierten Strukturen. Er legte den Grundstein für das Konzept der „retikulären Chemie“ – einem Ansatz, der die gezielte Verknüpfung molekularer Bausteine ​​zu kristallinen Gittern mit vorgegebenen Eigenschaften ermöglicht.

Die Struktur eines stabilen Materials, MOF-5 – entwickelt von Yaghi – weist kubische Räume auf (Bild: Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften).

Dank der Beiträge dreier Wissenschaftler hat sich dieses neue Forschungsgebiet zu einer eigenständigen Richtung in der modernen Materialchemie entwickelt, in der Zehntausende metallorganischer Gerüststrukturen synthetisiert und in vielen Hochtechnologiebereichen eingesetzt werden.

Erweiterte Anwendungen der Jahrhunderterfindung

Die Forschung zeigt, dass metallorganische Gerüste dank ihrer „porösen und dennoch starken“ Eigenschaften viele Rollen übernehmen können, die für feste Materialien bisher nicht möglich waren.

In der Pressemitteilung des Nobelkomitees heißt es, dass metallorganische Gerüstverbindungen CO₂ in ihren porösen Strukturen adsorbieren und speichern und so zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen beitragen können. Einige metallorganische Gerüstverbindungen können Wasserdampf aus trockener Wüstenluft einfangen und dabei ausschließlich die natürliche Luftfeuchtigkeit nutzen. So wird Sonnenenergie in sauberes Wasser umgewandelt. Diese Technologie gilt als besonders nützlich für Gebiete mit knappen Wasserressourcen.

Dank ihrer großen Oberfläche und Selektivität werden MOFs auch zum Herausfiltern flüchtiger organischer Verbindungen, zur Entfernung von Schwermetallen oder giftigen Chemikalien aus Abwässern und zur Abtrennung von Edelgasen wie Helium oder Wasserstoff eingesetzt. Wissenschaftler erforschen derzeit metallorganische Gerüstverbindungen zur Energiespeicherung, insbesondere von Wasserstoff und Methan – zwei potenziellen sauberen Brennstoffen.

Mitglieder des Yaghi-Forschungslabors (Foto: University of California, Berkeley).

Es ist erwähnenswert, dass Professor Omar Yaghi 2021 auch den VinFuture-Preis in der Kategorie „Innovatoren mit herausragenden Leistungen in aufstrebenden Bereichen“ (Wissenschaftler, die neue Bereiche erforschen) gewonnen hat.

Die Forschung an MOFs gilt auch für Vietnam als potenzielle Entwicklungsrichtung, da das Land die grüne Transformation fördert und fortschrittliche Materialien für die Energie-, Umwelt- und Biomedizinbranche entwickelt.

Durch Programme wie VinFuture InnovaConnect haben vietnamesische Wissenschaftler die Möglichkeit, direkt mit der internationalen Forschungsgemeinschaft in Kontakt zu treten und die Zusammenarbeit in aufstrebenden Bereichen wie MOFs, Batterien der nächsten Generation oder Kohlenstoffabscheidung auszubauen.

Professor Omar Yaghi bei der ersten Verleihung des VinFuture-Preises.

Bei der Bekanntgabe des Nobelpreises 2025 sagte Professor Heiner Linke, Vorsitzender des Nobelkomitees für Chemie:

„Metallorganische Gerüstverbindungen verfügen über ein enormes Potenzial und eröffnen beispiellose Möglichkeiten zur Herstellung technischer Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für neue Zwecke.“

Diese Materialien versprechen, zur Lösung globaler Herausforderungen wie Luftverschmutzung, Klimawandel, Mangel an sauberem Wasser und Speicherung erneuerbarer Energien beizutragen – Probleme, mit denen die Menschheit im 21. Jahrhundert konfrontiert ist.

Botschaft zum Nobelpreis für Chemie 2025

Mit dem Nobelpreis für Chemie 2025 werden nicht nur drei herausragende Wissenschaftler geehrt, sondern es wird auch eine tiefgreifende Botschaft vermittelt, nämlich eine neue Denkweise in der Materialwissenschaft: Das „Leere“ ist nicht länger nur eine bedeutungslose Leere, sondern steckt voller Potenzial.

Aus wissenschaftlicher Sicht stellt die Erfindung metallorganischer Gerüstverbindungen einen Wandel von der Materialforschung hin zur Entwicklung neuer Materialien dar. Der Mensch ist nicht mehr vollständig von der Natur abhängig, sondern kann neue Materialien mit Strukturen und Funktionen für einen bestimmten Zweck entwerfen.

Der Einfluss metallorganischer Gerüstverbindungen beschränkt sich nicht nur auf aktuelle Anwendungen, sondern ebnet auch den Weg für die Entwicklung einer neuen Generation von Materialien, wie etwa kovalente organische Gerüstverbindungen (COFs) und zeolithische Imidazolat-Gerüstverbindungen (ZIFs) – mit ähnlichen oder sogar besseren Fähigkeiten in der Zukunft.

Es wurden viele andere Arten von MOF-Strukturen synthetisiert, die jeweils ihre eigenen Funktionen erfüllen (Foto: Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften).

Von den kleinen Laboren, in denen die ersten Kristalle gezüchtet wurden, bis hin zur Vision von Materialsystemen, die giftige Gase filtern, Wasser aus der Luft „pressen“ und Energie speichern können, ist die Reise zur Entwicklung metallorganischer Gerüstverbindungen ein Beispiel für den Geist der modernen Wissenschaft: Innovation, interdisziplinäre Zusammenarbeit und das Streben nach nachhaltigem Wert.

Quelle: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/vat-lieu-rong-chia-khoa-giup-cac-nha-khoa-hoc-gianh-nobel-hoa-hoc-2025-20251009215157748.htm