Kad je Švedska kraljevska akademija znanosti 8. listopada objavila imena ovogodišnjih dobitnika Nobelove nagrade za kemiju, svijet kemije je skoro jednoglasno izgovorio: "Napokon!". Jer imena trojice znanstvenika – Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi – godinama su kružila znanstvenim krugovima kao neizbježan izbor za to priznanje.

Kemija s prostorom za disanje

Nagrada je dodijeljena za razvoj metal‑organskih okvira (MOF, metal–organic frameworks), kemijskih struktura koje povezuju metalne ione i organske molekule u precizno uređene mreže. Njihova je unutarnja površina golema: samo jedan gram MOF-a može imati površinu od nekoliko nogometnih igrališta. Ta ogromna unutrašnjost znači da i najmanja količina materijala može apsorbirati i "zarobiti" ekstremno velike količine plinova.

No, metal‑organski okviri nisu tek egzotična, prenapuhana laboratorijska igračka. Te strukture imaju potencijal postati ključni alat u borbi protiv klimatskih promjena i zagađenja zraka. Svojstvo da u svojim šupljinama mogu sadržavati enormne količine raznih molekula (a pritom s njime ne reagirati), čini ih savršenim materijalima za hvatanje i pohranu plinova, pročišćavanje vode, katalizu i prijenos lijekova, ali i za izradu sofisticiranih senzora ili detektora kemikalija.

Riječ je o jednom od najbrže rastućih područja suvremene kemije, s tisućama varijacija koje se mogu sintetizirati kombiniranjem različitih metala i organskih liganada – molekula koje se na te metale spajaju poput mostova u fino isprepletenoj mreži. Svaki novi MOF ima drugačiju „sobu“ u svojoj kristalnoj mreži – drugu veličinu, oblik, kemijsku privlačnost i potencijalnu funkciju, pa je svaki zapravo nova arhitektura na mikroskopskoj razini.

"MOF-ovi su kao hotelski kompleks za molekule," objasnio je jednom prilikom Yaghi. "Samo što je svaka soba izgrađena po narudžbi, s preciznim zidovima, vratima i prozorima na atomskom nivou."

Tkanje nevidljivih arhitektura

Početkom 1990-ih u Australiji, Richard Robson je pokazao da se metalni ioni mogu pomoću organskih mostova povezivati u pravilne trodimenzionalne mreže. Time je po prvi put dokazao da je moguće stvoriti čvrste, ali porozne kristalne strukture koje zadržavaju oblik čak i nakon što se ukloni otapalo u kojem su nastale. To je bio temeljni koncept koji je otvorio vrata novoj klasi materijala i pokazao da se i kemija može baviti izgradnjom prostora, a ne samo tvari.

Susumu Kitagawa iz Japana ubrzo je otkrio da se te mreže mogu ponašati dinamično – otvarati i zatvarati pore ovisno o uvjetima okoliša, poput disanja, što je bio prvi dokaz da se anorganski kristali mogu „kretati“. Njegov je rad pokazao da materijal može biti selektivan i reagirati na vlagu, tlak ili prisutnost određenih molekula.

Omar Yaghi, danas profesor kemije na Berkeleyju, spojio je sve te ideje u sustav koji je nazvao retikularna kemija – znanost o spajanju građevnih blokova u predvidive, funkcionalne strukture koje se mogu projektirati unaprijed, poput arhitektonskih nacrta za svijet molekula. Yaghijevi MOF-ovi postali su sinonim za stabilnost, svestranost i eleganciju. Njegov laboratorij razvio je materijale sposobne da iz zraka prikupljaju vlagu i pretvaraju je u pitku vodu, da selektivno hvataju ugljični dioksid, metan i druge stakleničke plinove, ali i da se koriste kao mini-reaktori u kojima se mogu odvijati kemijske reakcije uz minimalnu potrošnju energije.

Takva kombinacija jednostavnosti i genijalnosti čini da MOF-ovi izgledaju kao nanotehnološka verzija Lego kockica – samo što svaka kockica funkcionira na atomskom nivou, s mogućnošću da se prilagodi gotovo svakoj zamislivoj primjeni u energetici, okolišu ili medicini.

Kad kemija postane arhitektura

Kemija je tradicionalno proučavala kako se atomi spajaju, razdvajaju i reagiraju. Retikularna kemija, kako ju je Yaghi definirao, proučava kako se takvi spojevi mogu organizirati u prostorne uzorke i kako se iz pojedinačnih kemijskih veza može stvoriti predvidiva trodimenzionalna mreža. U tom smislu, ona prelazi iz kemije u arhitekturu, s jasnim pravilima dizajna, modularnošću, gotovo umjetničkom estetikom i osjećajem za sklad među elementima.

Takav pristup otvara mogućnost da se materijali „projektiraju unaprijed“, a ne da nastaju slučajno u pokusima. Razlika između sinteze molekule i izgradnje MOF-a jednaka je razlici između izrade cigle i projektiranja katedrale, ali i između spontanog rasta kristala i promišljenog inženjerstva prostora.

Taj pomak ima i vrlo opipljive posljedice. U kombinaciji s preciznim inženjerstvom, MOF-ovi se danas istražuju kao materijali za pohranu vodika u gorivnim ćelijama, kao filteri za toksine, mikroplastiku i CO₂, pa čak i kao nanospremnici za ciljanu dostavu lijekova i molekula terapijskih proteina u organizam. U svijetu u kojem energija, voda, zagađenje i zdravlje postaju središnji problemi, upravo takvi materijali mogu ponuditi rješenja koja povezuju ekologiju, energetiku i medicinu u jedinstvenu, elegantnu strukturu.

Zen-kemija: znanost o prazninama

Ono što MOF-ove čini jedinstvenima nije njihova materijalnost, nego upravo ono što nedostaje – prazni prostor između njihovih atoma. Taj prostor omogućuje selektivnu apsorpciju plinova i tekućina, ali i kontrolirano zadržavanje ili otpuštanje tih molekula ovisno o tlaku, temperaturi i kemijskom sastavu okoline. Takva sposobnost čini MOF-ove dragocjenima ne samo u laboratorijima nego i u industriji gdje se traže pametni materijali koji reagiraju na promjene okoliša.

Kao u nekoj vrsti kemijske poezije, najveći potencijal tih materijala leži u njihovim prazninama, a ta je ideja možda najbliža zen‑filozofiji u kemiji: vrijednost MOF‑a nije u onome što jest, nego u onome što može postati kad ga nečim ispunimo. Upravo te praznine omogućuju stvaranje kontroliranih mikrookoliša u kojima se mogu odvijati reakcije ili pohranjivati energija, pa su MOF‑ovi u tom smislu spona između fizike, kemije i inženjerstva.

U proteklih dvadesetak godina broj poznatih MOF struktura narastao je s nekoliko desetaka na više od 100 tisuća, a njihova se kompleksnost stalno povećava. Industrijska istraživanja danas se fokusiraju na tri ključna područja, ali se paralelno razvijaju i novi koncepti, poput uporabe MOF‑ova u senzorima za detekciju plinova ili kao katalizatora u „zelenim“ kemijskim procesima:

1. Klimatske tehnologije – hvatanje i skladištenje ugljičnog dioksida, filtracija zraka i pročišćavanje dimnih plinova.
2. Voda i okoliš – desalinizacija, sakupljanje vlage iz zraka, uklanjanje teških metala i PFAS spojeva iz vode.
3. Energetske primjene – pohrana vodika i metana, baterije nove generacije i katalitičke reakcije niske potrošnje energije.

U medicinskim primjenama MOF‑ovi se istražuju kao nosači lijekova koji mogu oslobađati terapijske molekule postupno i na točno određenom mjestu u tijelu. Njihova poroznost i modularnost pružaju gotovo beskonačan broj mogućnosti za prilagodbu, a kombinacija biorazgradivosti i funkcionalnosti otvara vrata novim generacijama pametnih biomaterijala.

Simbol nove kemije

Unatoč entuzijazmu kemičara i očitim potencijalnim kvalitetama, MOF-ovi još nisu u potpunosti osvojili industriju. Razlozi su klasični: cijena proizvodnje, osjetljivost na vlagu i toplinu, te dugoročna stabilnost u stvarnim uvjetima. Ali trend je jasan: sve više startupova i velikih tvrtki ulaže u tehnologije temeljene na MOF-ovima, osobito u područjima pročišćavanja zraka i vode te pohrane energije.

Ako su grafen i perovskiti tijekom proteklog desetljeća predstavljali uzbudljive obećavajuće materijale, MOF-ovi su njihov pragmatičniji rođak s manje mistike i više konkretne primjene.

Nobelova nagrada za kemiju 2025. nije samo priznanje trojici istraživača, nego i simbol smjera u kojem se kemija kreće: od reakcija do konstrukcija, od spontanosti do planiranja, od molekula do mreža. To je kemija koja ne traži samo nove tvari, nego nove prostore unutar njih.

Nobelovci Kitagawa, Robson i Yaghi predstavnici su nove generacije kemičara koji misle prostorno, a ne linearno. Njihovi su materijali svojevrsna metafora vremena u kojem živimo: ne tražimo više samo nove elemente, nego i nove odnose između njih. MOF-ovi su, u tom smislu, most između materije i prostora – dokaz da i praznina može imati strukturu. U svijetu koji se guši vlastitim otpadom i ispušnim plinovima, teško se nađe utješnije vijesti od one da su znanstvenici napokon naučili stvoriti „prazan prostor“ koji ima svoju korisnu namjenu.