أعلنت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم منح جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 إلى كل من سوسومو كيتاجاوا من جامعة كيوتو في اليابان، وريتشارد روبسون من جامعة ملبورن في أستراليا، وعمر ياغي من جامعة كاليفورنيا في بيركلي بالولايات المتحدة الأمريكية، تقديرًا لإسهامهم في تطوير الأطر المعدنية العضوية، تلك الهياكل الجزيئية الدقيقة التي تعد من أكثر الابتكارات العلمية وعدًا في مجال الكيمياء الحديثة.
طور العلماء هياكل جزيئية جديدة تعرف باسم “الأطر المعدنية العضوية” (MOFs)، وتمتاز بمساحات داخلية واسعة تسمح بمرور الغازات والمواد الكيميائية عبرها.
مكنت هذه الخصائص العلماء من استخدامها في تطبيقات عملية متعددة مثل جمع المياه من الهواء في الصحراء، واحتجاز ثاني أكسيد الكربون، وتخزين الغازات السامة، إضافة إلى دورها في تحفيز التفاعلات الكيميائية.
وتتيح هذه المواد للعلماء تصميم بلورات تحتوي على تجاويف ضخمة تعمل كخزائن دقيقة للغازات أو المحفزات الكيميائية، إذ تتكون من أيونات معدنية وجزيئات عضوية طويلة تشكل بنية بلورية قابلة للتعديل وفق الاحتياجات العلمية والصناعية.
قال هاينر لينكه، رئيس لجنة نوبل للكيمياء، إن الأطر المعدنية العضوية تمتلك إمكانات هائلة وتفتح باباً أمام مواد مخصصة بوظائف غير مسبوقة.
بداية الاكتشاف
بدأت جذور هذا الإنجاز في عام 1989 حين بدأ ريتشارد روبسون باختبار فكرة تعتمد على الاستفادة من الخصائص الذرية للمعادن.
جمع روبسون أيونات النحاس الموجبة مع جزيئات رباعية الأذرع لتكوين بلورة كبيرة تتخللها تجاويف، ورغم هشاشتها في ذلك الوقت فقد مهدت الطريق لبناء هياكل بلورية متكررة ذات تجاويف دقيقة.
أسهمت أعمال سوسومو كيتاجاوا وعمر ياغي بين عامي 1992 و2003 في ترسيخ الأساس العلمي لهذا المجال، إذ أظهرت كيتاجاوا أن الغازات يمكن أن تتدفق داخل هذه الهياكل، في حين نجح ياغي في ابتكار أطر معدنية عضوية مستقرة يمكن تعديلها لتؤدي وظائف متعددة بحسب الحاجة.
وتوسع نطاق البحث على مدار السنوات ليشمل آلاف الأنواع من هذه الأطر، التي أصبحت تستخدم في حل مشكلات بيئية وصناعية كبرى، مثل تنقية المياه، وفصل الملوثات الكيميائية، والتقاط ثاني أكسيد الكربون من الجو، وحتى جمع المياه من الهواء الجاف.
ما هي الأطر المعدنية العضوية؟
تتكون الأطر المعدنية العضوية من مواد متقدمة عالية التنظيم قادرة على أداء مهام معقدة عادةً ما تتطلب أجهزة ضخمة أو آليات معقدة، كما يمكنها تعزيز التمثيل الضوئي عند دمجها بمواد نباتية عضوية.
تتمتع هذه الأطر ببنية بلورية نانوية تشبه القفص، تمنحها مسامية فريدة ومساحة سطح هائلة تتجاوز 7000 متر مربع للغرام الواحد، مع إمكانية ضبط تركيبها الكيميائي بدقة وفق الغازات أو المواد التي يراد امتصاصها.
تطبيقات تمتد إلى الفضاء
تتجاوز أدوار الأطر المعدنية العضوية الأرض وتستشرف آفاقاً فضائية واعدة، إذ يمكن استخدامها لتخزين الغازات مثل الهيدروجين والميثان، ما يجعلها خياراً مثالياً لتقليل الإشعاع النيوتروني وحماية المركبات ورواد الفضاء بمواد أخف وزنًا وأكثر كفاءة.
ويهدف مشروع في وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) إلى تصنيع الأطر المعدنية العضوية محلياً واختبار استقرارها في بيئة الفضاء تحت ظروف مثل الفراغ والأشعة الكونية.
ويعمل العلماء على تطوير مواد هلامية قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد محملة بهذه الأطر، لتسهيل استخدامها في بناء هياكل فضائية قوية ومتجانسة.
ويتجه الباحثون في المرحلة المقبلة إلى الاستعانة بالذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي لتصميم أطر معدنية عضوية مخصصة لمهام فضائية معينة، وتقوم الفكرة على تحليل أكثر من 90 ألف تركيبة جزيئية بهدف التنبؤ بالمواد المثالية التي يمكنها تحمل بيئة الفضاء وتقديم وظائف محسّنة.
بهذا التطور، يجمع هذا المجال بين الابتكار الكيميائي والرؤية المستقبلية، ليصبح واحداً من أهم الاكتشافات التي لا تغير مستقبل الكيمياء فحسب، بل تفتح الطريق لاستكشاف الفضاء وتطوير مواد متقدمة.
