مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 إلى ريتشارد روبسون وسوسومو كيتاجاوا وعمر ياغي في 8 أكتوبر 2025، لتطويرهم الهياكل المعدنية العضوية، أو MOFs، وهي هياكل بلورية قابلة للضبط ذات مسامية عالية للغاية. هذه فئة من المواد التي غيرت حقًا طريقة تصميم العلماء وتفكيرهم في المادة، مما ألهم التقدم في التطبيقات المختلفة.
أنا عالم في وزارة المالية، وبالنسبة للكثيرين منا في هذا المجال، يبدو هذا الاعتراف تاريخيًا وشخصيًا للغاية. إن الأطر العضوية المعدنية ليست مجرد بلورات أنيقة قد تنال إعجابك تحت المجهر؛ إنها عالم كامل من الهياكل، كل منها يشبه مدينة مصغرة من الأنفاق والغرف التي تنتظر الملء. لقد كانت موطني العلمي منذ أن دخلت مجال البحث لأول مرة، وما زالت تبدو وكأنها سحر بالنسبة لي.
إذًا، ما هي الأطر العضوية المعدنية (MOFs) بالضبط؟
إن الهياكل المعدنية العضوية تشبه السقالات البلورية المبنية من مكونين: معادن تعمل كمفاصل ضامة، وجزيئات عضوية ــ أي قائمة على الكربون ــ تعمل كجسور لربط تلك المفاصل بنمط متكرر. والنتيجة هي إطار مسامي مرتب للغاية، وهو نوع من الهندسة الجزيئية القوية ومليئة بالمساحة الفارغة.
هذه الأطر مسامية للغاية، مثل الإسفنج ذي الفراغات الصغيرة، بحيث يكاد يكون من المستحيل تصويرها. يحتوي جرام واحد من الأطر العضوية المعدنية على عدد كبير جدًا من المسام بحيث يمكن أن يكشف مساحة سطحية داخلية تعادل ما يكشفه ملعب كرة قدم. من المدهش أن حفنة من المسحوق يمكن أن تخفي منظرًا طبيعيًا كاملاً من السطح بداخلها.
هذه المساحة السطحية الهائلة هي واحدة من الأشياء الفريدة التي تجعل الأطر العضوية المعدنية قوية للغاية، وتأتي من المسام النانوية – غرف جزيئية صغيرة يمكنها احتجاز الغازات والأيونات والجزيئات الأخرى أو فصلها أو تحويلها أو نقلها. بطريقة ما، تشبه الأطر العضوية المعدنية الفنادق الجزيئية ذات الأبواب التي لا تعد ولا تحصى، كل منها مبرمج لاستقبال ضيوف معينين فقط.
لماذا يحبهم العلماء؟
أكثر ما يبهرني في الأطر المعدنية العضوية هو مساحة تصميمها اللامحدودة. بمجرد إلقاء نظرة سريعة على الجدول الدوري، يمكن لكل معدن، من حيث المبدأ، أن يكون بمثابة حجر الزاوية، ويمكن لعدد لا يحصى من الجزيئات العضوية أن تكون بمثابة جسور تربط بينها. وحتى استخدام نفس المجموعة يمكن أن ينتج بنيات مختلفة تمامًا.
حتى الآن، قام العلماء بتركيب أكثر من 90 ألف إطار معدني عضوي، وتوقع الكيميائيون الحسابيون مئات الآلاف من الهياكل المعدنية الأخرى. القليل من العائلات المادية تقدم هذا القدر من التنوع.
أحب أن أفكر في الأطر العضوية المعدنية باعتبارها ألغازًا أو مجموعات ليغو، ولكن على المقياس الذري. يمكنك استبدال قطعة واحدة، أو تغيير لونها أو شكلها، وينتهي الأمر بمادة تتصرف بشكل مختلف تمامًا.
أضف “زخرفة” جديدة – ما يسميه الكيميائيون المجموعة الوظيفية – وسيتعرف الإطار فجأة على جزيء جديد. قم بتمديد الجسور العضوية، وسوف تنتفخ البنية نفسها مثل البالون، مما يعطي ما نسميه الهياكل العضوية المعدنية المتساوية. هذه لها نفس البنية، ولكن المسام أكبر. باختصار، يمكن للإطارات المعدنية العضوية أن تأتي في كل الأشكال والأحجام والملمسات التي يمكن تخيلها تقريبًا.
دفع حدود هذه المواد
بالإضافة إلى أناقتها العلمية، تعد الأطر العضوية المعدنية واعدة بشكل لا يصدق بالنسبة لتقنيات العالم الحقيقي. تؤدي الهياكل والوظائف المختلفة إلى خصائص مختلفة، وبالتالي استخدامات مختلفة.
تعمل بعض الأطر العضوية المعدنية كمناخل جزيئية، حيث تقوم بشكل انتقائي بالتقاط ثاني أكسيد الكربون من العادم الصناعي أو حتى مباشرة من الهواء. ويقوم آخرون بتنظيف المياه الملوثة عن طريق إزالة المعادن الثقيلة أو الأصباغ أو “المواد الكيميائية إلى الأبد”.
يمكن لبعض الأطر العضوية المعدنية أيضًا أن تحمل أدوية أو عوامل تصوير داخل الجسم للتطبيقات الطبية. في عالم الطاقة، تعمل كأقطاب كهربائية أو إلكتروليتات تجعل البطاريات أكثر أمانًا وكفاءة. ويعمل العديد منها كمحفزات، حيث تعمل على تسريع التفاعلات الكيميائية التي تحول جزيئًا إلى آخر.
عندما بدأت رسالة الدكتوراه، حذرني زملائي الكبار من أن الأطر العضوية المعدنية قد تكون حساسة للغاية ـ بلورات جميلة قد تتفتت عند أول تلميح من الهواء أو الرطوبة. وفي الواقع، كانت بعض الأطر المبكرة عبارة عن فضول هش، ونالت الإعجاب لأناقتها أكثر من قدرتها على التحمل. لكن هذا التصور تغير بشكل كبير.
أصبحت العديد من الأطر العضوية المعدنية الآن قوية بشكل ملحوظ. كانت المادة التي عملت عليها لأول مرة عبارة عن إطار معدني عضوي قائم على التيتانيوم يسمى MIL-125. تم الإبلاغ عنه لأول مرة من قبل جيرار فيري، أحد الشخصيات التأسيسية في وزارة المالية ومجتمع الهياكل المسامية والذي توفي للأسف في عام 2017. لم يكن MIL-125 مستقرًا فحسب، بل كان غير قابل للتدمير عمليًا في مختبري. وبعد تصنيع جرامين منه، قمت بتخزينه على مقعدي في قارورة مفتوحة واستخدمت نفس الدفعة في كل تجربة تحفيزية طوال فترة الدكتوراه. لا يوجد صندوق قفازات ولا مجفف، مجرد جرة من المسحوق الأصفر تجلس بسعادة على مقعدي.
لقد علمتني تلك التجربة شيئًا مهمًا: في حين أن الاستقرار يمكن أن يكون مصدر قلق مشروع، إلا أن الأطر العضوية المعدنية قد تطورت. بفضل الكيمياء الذكية، لدينا مواد يمكنها تحمل الماء والحرارة والاستخدام المتكرر. منذ تأسيسهم، أدخل الباحثون في جميع أنحاء العالم خصائص جديدة لهذه المواد ــ من التوصيل الكهربائي إلى الاستجابة للضوء ــ والأهم من ذلك، أحرزوا تقدما كبيرا في توسيع نطاق تركيب الأطر العضوية المعدنية للتطبيقات الصناعية.
يعد التوسع خطوة أساسية في سد الفجوة بين الاكتشاف الأساسي والنشر على نطاق واسع. لم يعد الباحثون يكتفون بدراسة الأطر العضوية المعدنية بالملليجرام، بل غالبًا ما نخطط لقياس الجرام والكيلوجرام وما هو أبعد.
تعمل بعض الشركات الناشئة على تحويل هذه التطورات إلى تقنيات حقيقية – بدءًا من تخزين الغازات بشكل أكثر أمانًا، إلى سحب المياه النظيفة مباشرة من هواء الصحراء، إلى بناء مكيفات هواء أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. ما كان يبدو في السابق وكأنه خيال علمي – المساحيق التي تتنفس، تحبس الجزيئات وتحولها – أصبح الآن حقيقة علمية.
وعلى الرغم من هذه التطورات، سيحتاج الباحثون إلى مواصلة تحسين استقرار وقابلية التوسع في الأطر العضوية المعدنية لتحقيق إمكانات هذه المواد بشكل كامل في العالم الحقيقي.
لحظة نوبل تكرم الإبداع
إن جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 تتجاوز مجرد تكريم ثلاثة علماء بارزين – فهي تحتفي بمجتمع بأكمله: جيل من الكيميائيين والمهندسين الذين حولوا فكرة واحدة إلى مجال مزدهر. لقد وضعت الرؤى الرائدة لريتشارد روبسون وسوسومو كيتاجاوا وعمر ياغي الأسس لنظام نابض بالحياة نما ليشمل كل شيء بدءًا من تخزين الغاز والحفز الكيميائي إلى تقنيات الطاقة والبيئة.
عندما حضرت مؤتمري الأول لوزارة المالية كطالب دكتوراه في السنة الثانية. أيها الطالب، لقد استمعت برهبة إلى العديد من رواد هذا المجال، والذين أصبح بعضهم الآن حائزين على جائزة نوبل. في ذلك الوقت، بدت الأطر العضوية المعدنية وكأنها إسفنجة سحرية، ولم يفارقني هذا الشعور بالدهشة أبدًا. وقد قادني ذلك إلى مواصلة بحثي حول الأطر العضوية المعدنية الموصلة: وهي المواد التي يمكنها حمل الكهرباء. الآن، في مجموعتي البحثية، ندرس كيف يمكن لهذه الأطر أن تجعل البطاريات أكثر أمانًا وأكثر كفاءة، وكيف يمكنها التقاط غازات النفايات وتحويلها إلى مواد كيميائية مفيدة باستخدام ضوء الشمس.
بالنسبة لي، جائزة نوبل هذه تحتفل بما هو أكثر من مجرد اكتشاف، فهي تحتفي بفلسفة: الكيمياء إبداعية، ويمكننا تصميم المادة وهندستها بالخيال، وفي بعض الأحيان يمكن أن يكون الفراغ هو جوهر المادة.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. بقلم: ستافرولا ألينا كامبوري، جامعة رايس
اقرأ المزيد:
تتلقى ستافرولا (ألينا) كامبوري تمويلًا بحثيًا من صندوق أبحاث البترول التابع للجمعية الكيميائية الأمريكية (ACS PRF) ووكالات الأبحاث العامة الأخرى.