جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025: ما هي موفس MOFs؟

منحت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 لكل من سوسومو كيتاغاوا وريتشارد روبسون وعمر م. ياغي لأبحاثهم الاستشرافية حول الأطر المعدنية العضوية (MOFs). وقد أثبتت هذه المواد الثورية، بمساحاتها السطحية الداخلية الضخمة، وهياكلها المسامية القابلة للضبط، وتصميمها الوحدوي، أنها حجر الزاوية في كيمياء المواد مع استخدامات رائدة في تخزين الطاقة وإزالة التلوث البيئي والهندسة الجزيئية.

الشكل 1 جائزة نوبل للكيمياء لعام 2025

مقدمة عن موفس موفس

موف هي بلورات صلبة ثلاثية الأبعاد تتألف من أيونات أو عناقيد فلزية منسقة مع روابط عضوية، وتنتج هذه الأخيرة هياكل ثلاثية الأبعاد ذات بنية مسامية قابلة للضبط بدرجة كبيرة. وبفضل التآزر بين المساحة السطحية العالية والكثافة الضوئية والبنية المرنة، يمكن للكيميائيين تصميم أطر ذات حجم مسام يمكن التنبؤ به ووظائف كيميائية وخصائص ميكانيكية.

وتحقق بعض موفس MOFs مساحة سطح داخلية تزيد عن 7000 متر مربع/غرام، وهو ترتيب أفضل من الكربون المنشط، مع إمكانية لا مثيل لها لتخزين الجزيئات وفصلها. كما تتيح نمطية موفس MOFs أيضًا إمكانية التحويل الوظيفي للتطبيقات، بدءًا من فصل الغازات وتخزينها إلى توصيل الأدوية والحفز.

تاريخ وتطور موفس MOFs

بدأت عملية بناء الأطر المعدنية العضوية (MOFs) مع ريتشارد روبسون في عام 1989، حيث توصل لأول مرة إلى نظرية ربط أيونات النحاس برابط عضوي رباعي الأذرع لإنتاج شبكة بلورية ذات تجاويف محددة بدقة. وقد فتح ذلك الطريق لما أصبح مجالًا بحثيًا سريع التطور.

بعد ذلك، أظهر سوسومو كيتاغاوا تعدد استخدامات موفس MOFs مع قدرة الهياكل على التغير من خلال التحول الهيكلي بحيث يمكن للأطر أن "تتنفس" وفقًا للجزيئات الضيفة.

وبعد ذلك وسّع عمر ياغي المجال أكثر من ذلك من خلال تخليق موف -5، وهي مادة تمتلك مساحة سطح مذهلة تزيد عن 3000 متر مربع/غرام وقدرات امتصاص جيدة للغازات، مما يدل على الفائدة العملية للمادة في التطبيقات الواقعية.

وأثبتت مساهماتهم، مجتمعة، أن موفس (MOFs) هي عائلة غامضة من المواد الصلبة البلورية المسامية ذات التطبيقات الممكنة والفائدة الكامنة أيضًا.

الشكل 2 تمثيل تخطيطي لأهم موفس موفس المبلغ عنها

طرق تخليق موفس موفس

لا تزال الطريقة الحرارية المذيبة هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتخليق موف. هنا، يتم خلط أملاح المعادن والرباطات العضوية في مذيبات عضوية بروتينية أو مذيبات عضوية غير بروتينية. ويُجرى التفاعل عادةً تحت ضغط ذاتي أعلى من درجة غليان المذيب في الأوتوكلاف، حيث يُسمح بنمو البلورات ويتم تحقيق هياكل مرتبة للغاية. ويُعد النمو البطيء للبلورات ضروريًا بشكل عام للحصول على بلورات كبيرة خالية من العيوب مع مساحة سطح داخلية مثالية.

على الرغم من أن التوليف الحراري المذاب تقليدي ومؤكد، فقد ظهرت بعض الطرق الأخرى لجعل هياكل المنتج قابلة للتعديل وتعزيز الكفاءة. وتكتسب تقنيات مثل التخليق بمساعدة الموجات الدقيقة والتخليق الكيميائي الصوتي والميكانيكي الكيميائي والكهروكيميائي والكهروكيميائي والتخليق الحراري الأيوني تطبيقًا واسع النطاق بشكل متزايد.

على سبيل المثال، يستخدم التوليف الميكانيكي الكيميائي الطحن والطاقة الميكانيكية بدلاً من المذيبات، مما يقلل من العبء البيئي ويسمح بتطوير إطار عمل سريع. كما ثبت أن التخليق بمساعدة الميكروويف يُنتج موفلزات متعددة الفلزات ذات تبلور مماثل في غضون دقائق بدلاً من ساعات. كل هذه التطورات مهمة لإنتاج موفلزات موفلزات متعددة الفلزات على نطاق واسع وتحديد البنى الجديدة.

الشكل 3 التوليف الحراري المذاب التقليدي لهياكل موف موف

التطبيقات المحتملة لمُركّبات موفلز موفلز

توفر الخصائص الفريدة لمموّهات موف - الكثافة المنخفضة، والمساحة السطحية العالية، والمسامية القابلة للضبط، والمرونة الهيكلية - مجموعة هائلة من التطبيقات المحتملة:

• تخزين الغاز وتوصيله: تمتلك موفس موف قيمة تطبيقية فريدة في تخزين الهيدروجين والميثان وثاني أكسيد الكربون. على سبيل المثال، تمتص موف- 5 أكثر من 20٪ بالوزن من الهيدروجين تحت درجة حرارة 77 كلفن و1 بار، وتمتاز موف-177 بامتصاص ثاني أكسيد الكربون بنسبة تزيد عن 6 مليمول/غ عند درجة حرارة 298 كلفن تحت 1 بار. وقد جعلت هذه السمات من موفس MOFs مواد تخزين الطاقة النظيفة مثل خلايا وقود الهيدروجين وسيارات الميثان.
• المعالجة البيئية: استخدمت موفس لإزالة الملوثات من الماء والهواء. تمتص بعض موفس موفس (MOFs) المواد الكيميائية المتعددة الفلزات ("المواد الكيميائية الأبدية") بشكل انتقائي من مياه الصرف الصحي، في حين أن البعض الآخر لديه تقارب لثاني أكسيد الكربون، مما يتيح التقاط الكربون. على سبيل المثال، تتمتع Mg-MOF-74 بقدرات امتزاز لثاني أكسيد الكربون تصل إلى 8 مليمول/غ في ظروف الغرفة، مما يجعلها قابلة للتطبيق في التحكم في الانبعاثات.
• حصاد المياه: بعض موفس MOFs قادرة على حصاد المياه من الهواء الجاف. وقد وُصف في الاختبارات الميدانية في البيئات القاحلة أن موف-801 القائم على الزركونيوم جمع 2.8 لتر من الماء لكل كيلوغرام من موف في اليوم الواحد في ظل رطوبة منخفضة (20-30% رطوبة نسبية).
• توصيل الدواء: تتيح البنى المسامية لمورف MOF إمكانية تغليف الجزيئات العلاجية للإطلاق المتحكم به. في الدراسات التجريبية، أطلقت مصفوفات MIL-100(Fe) مصفوفات MIL-100(Fe) أدوية مضادة للسرطان مع تحسين الاستقرار وخصائص الإطلاق المستهدف، مما يقلل من السمية الجهازية.
• تخزين الطاقة والإلكترونيات: يتم استكشاف موفس MOFs للتطبيقات في المكثفات الفائقة والبطاريات والحفز. يمكن استخدام موفس MOFs كمواد عالية السعة والتوصيل الكهربائي أو كدعامات محفزة للجسيمات النانوية المعدنية النشطة تحفيزياً.

وتُعد هذه الاستخدامات دليلاً على أن موفس موفس لم تعد مجرد فضول مختبري، بل إنها بالفعل تُظهر أداءً كمياً وواقعياً في العديد من التطبيقات. ولا يزال التسويق التجاري على نطاقات أكبر من المختبر يمثل تحديًا، لكن الأبحاث لا تزال تسعى إلى تعزيز الاستقرار وقابلية التكرار والاقتصاد.

الشكل 4 تطبيقات في الطاقة وتوصيل الأدوية ومعالجة مياه الصرف الصحي

الخاتمة

يشير فوز كيتاغاوا وروبسون وياغي بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 إلى الحجم التحويلي لمركبات موفسكاي موفسكاي. من المفاهيم الهيكلية الرائدة إلى طرق التوليف عالية التقنية والتطبيقات غير المستغلة في المستقبل، تُعدّ موفس MOFs إشادة بالاتحاد بين الكيمياء الأساسية والفائدة العملية. لمزيد من الأخبار الصناعية والدعم التقني، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

المراجع

1. Dey, Chandan & Kundu, Kundu, Tanay & Biswal, Bishnu & Mallick, Arijit & Banerjee, Rahul. (2013). الأطر البلورية المعدنية العضوية البلورية (MOFs): التركيب والهيكل والوظيفة. Acta Crystallographica Section B. 70. 3-10. 10.1107/S2052520613029557.
2. غانيسان، م. (الثانية). هل الأطر المعدنية العضوية (MOFs) في نقطة التحول التجاري؟ CAS Insights.
3. Raptopoulou, C. P. (2021). الأطر المعدنية العضوية: الطرق التركيبية والتطبيقات المحتملة. المواد (بازل)، 14 (2)، 310. (https://doi.org/10.3390/ma14020310)
4. ساندرز، ر. (2025، 8 أكتوبر). عمر ياغي، من جامعة كاليفورنيا في بيركلي، يتقاسم جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025. أخبار بيركلي.
5. الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم. (2025). قررت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم منح جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025. بيان صحفي لجائزة نوبل.
6. Yusuf, V. F., Malek, N. I., & Kailasa, S. K. (2022). مراجعة تصنيف الأطر المعدنية العضوية والنهج التركيبية والعوامل المؤثرة: تطبيقات في الطاقة وتوصيل الأدوية ومعالجة مياه الصرف الصحي. ACS Omega، 7(49)، 44507-44531. (https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05310)