Zamislite sljedeću situaciju: zaželjeli ste se lijepog, prozračnog i ukusnog kruha. Pripremite omiljeno brašno, stavite sol, kvasac i vodu, mijesite, odmarate, pečete vaše tijesto (…) i dobijete zbijenu i tešku ciglu od kruha. U redu, saberete se i pokušate ponovno, ali dobijete isti rezultat. Pokušavate opet, i opet – danima, tjednima, mjesecima, ali nikako ne ide. Ponekad čistom srećom dobijete laganu i ukusnu štrucu, ali sljedeći put vas ponovo čeka grozan neuspjeh. I zamislite da tada netko dođe i da vam savršen recept! Odjednom kruh svaki put ispada prekrasno – mirisan, lagan, pun mjehurića. Pa zar im ne biste poželjeli dati Nobelovu nagradu?
Upravo to dogodilo se ove godine, kad su Richard Robson, Susumu Kitagawa i Omar Yaghi dobili Nobelovu nagradu iz kemije za otkriće metalo-organskih mreža (engl. metal-organic frameworks, MOF-ovi), materijala građenih od metalnih centara i organskih povezivača koji u svojoj trodimenzionalnoj strukturi sadrže prazne prostore, baš kao idealan kruh.
Trojica nobelovaca su metodu pokušaja i pogrešaka koja je dotad vladala poljem zamijenili ciljanom pripravom ovih materijala na način da se oni mogu prilagoditi određenoj svrsi, čime su pokrenuli novu eru u sintezi poroznih materijala. Danas MOF-ovi mogu prikupljati vodu ili ugljikov dioksid iz zraka, usporiti zrenje voća i povrća, skladištiti vodik za goriva budućnosti pa čak i razgrađivati mikroplastiku ili bojne otrove.
vezane vijesti
Što su to porozni materijali
Ali vratimo se na početak: što su to porozni materijali i zašto su uopće bitni? Porozni materijali definirani su time što u svojoj molekulskoj strukturi sadrže minijaturne prazne prostore i šupljine koje zovemo porama. To mogu biti mali mjehurići praznog prostora poput onih u kruhu s početka priče, ali i dugački prazni kanali koji premrežavaju materijal, kao tuneli u mravinjaku. Dobar primjer su filteri za pročišćavanje vode, u pravilu napravljeni od aktivnog ugljena koji u sebi sadrži trodimenzionalnu mrežu pora promjera manjeg od 0.000005 mm – dovoljno velike da propuste molekule vode, ali dovoljno male da kroz njih ne mogu proći mikroorganizmi i drugi onečišćivači.
Tako ovi filteri služe kao molekulska sita koja propuštaju one molekule koje želimo, a zadržavaju tvari koje ne želimo. Lako je onda zaključiti da će uporaba poroznih materijala izrazito ovisiti o veličini, obliku i strukturi njihovih pora. Upravo zato bilo bi idealno da možemo po volji praviti nove porozne materijale koji će biti prilagođeni željenoj primjeni. Međutim postoji kvaka. Naime dizajniranje ovih materijala zahtijeva ciljano povezivanje atoma i molekula u čvrste trodimenzijske strukture koje se neće srušiti kao kula od karata na najmanji dodir, što je donedavno bilo pitanje čiste sreće. Tu na scenu stupaju naša tri nobelovca.
Davne je 1974. godine na Sveučilištu u Melbourneu Richard Robson pripremao predavanja iz organske kemije. Želeći studentima pokazati kako se međusobno povezuju atomi, dao je izraditi modele sastavljene od drvenih kugli s probušenim rupama i štapića koji povezuju te kugle. Vrlo skoro je primijetio da su trodimenzijske strukture koje može izgraditi precizno definirane razmještajem rupa na kuglama. Tu mu je sinula revolucionarna ideja: što ako umjesto drvenih kugli dizajnira molekule koje se s drugim molekulama mogu povezivati samo na točno određene načine? Ne bi li to ograničilo njihove moguće prostorne razmještaje i možda rezultiralo predvidljivim slaganjem u porozne strukture? Kad bi ova ideja uspjela, eliminirala bi faktor sreće i slučajnosti iz sinteze poroznih materijala.
'Nobel u Zagrebu 2025.'
U utorak 9. prosinca, u 17 sati u dvorani D2 na FER-u održat će se predavanje i predstavljanje knjige Nobel u Zagrebu 2025.
Predavanje će održati Davor Horvatić, profesor s PMF-a, Vedrana Pribičević, ekonomistica i predavačica na ZŠEM-u, i Neven Sesardić, umirovljeni profesor filozofije, a pričat će o Nobelovim nagradama za fiziku, ekonomske znanosti i mir.
U sklopu događaja bit će predstavljena knjiga Nobel u Zagrebu 2025., koja pojednostavljenim jezikom donosi doprinose svih ovogodišnjih laureata Nobelovih nagrada. Autori knjige, uz troje spomenutih predavača, su Ivana Brekalo, Mirjana Kujundžić Tiljak, Lucija Špiljak i Tanja Tolić.
Događaj organiziraju FER, Infobip, Aircash, AVL-AST, Visage Techologies, Croatel i Institut za promociju znanosti uz medijsko pokroviteljstvo tportala.
Ulaz je slobodan za sve zainteresirane!
Nova skupina materijala
Više od desetljeća kasnije, Robson je svoju ideju ostvario tako što je povezao metalne katione bakra i organski povezivač koji ima četiri 'ruke' u tetraedarskom razmještaju. Ruke na svojim krajevima imaju 'ljepljive' skupine posebno dizajnirane da se rado povezuju s bakrom. Ovo je rezultiralo materijalom trodimenzijske periodičke strukture s velikim prazninama koje su bile popunjene molekulama otapala i u kojima su se molekule mogle slobodno kretati i međusobno izmjenjivati.
Robsonovi materijali nažalost nisu bili stabilni jer bi se njihove pore urušavale ako se potpuno isprazne. Međutim pokazao je da njegova ideja funkcionira i predvidio da bi se budući materijali mogli graditi od robusnijih komponenti koje bi preživjele ispražnjivanje. Njegov novi princip odjeknuo je svijetom i inspirirao brojne istraživače da se posvete ovoj novoj skupini materijala.
Između ostalih, Susumu Kitagawa je 1997. godine u Japanu po prvi put razvio MOF-ove koji se mogu potpuno isprazniti, ostavljajući stabilne prazne kanale u svojoj strukturi. Kanali su se mogli puniti i prazniti različitim plinovima kao što su metan, kisik ili dušik, bez oštećenja strukture zbog čega su se takvi materijali mogli koristiti kao molekulska sita ili za skladištenje plinova.
Osim toga, Kitagawa je prvi predvidio, a zatim i dokazao, da bi ovi novi materijali mogli biti fleksibilni, odgovarajući na vanjske podražaje. Tako je jedan od njegovih MOF-ova mogao primati i otpuštati metan ili vodu, na način da je prazna struktura 'stisnuta' (manjih pora), dok je puna struktura proširena (većih pora). Ovaj fenomen podsjeća na pluća koja se šire kad su ispunjena zrakom, a stišću kad izdišemo pa se i danas ovakva fleksibilnost MOF-ova naziva disanje. Kitagawa je tako ne samo prvi dokazao mogućnost primjene MOF-ova, već je i uspostavio cijelu jednu klasu ovih materijala.
Neovisno o Kitagawi, Omar Yaghi je 1995. godine u SAD-u uspio pripraviti izrazito stabilne dvodimenzijske mreže koje su čuvale strukturu čak i na 200 °C te je skovao danas ustaljeno ime „metalo-organske mreže“. Ubrzo nakon, Yaghi je konstruirao stabilan trodimenzijski MOF koji se mogao potpuno isprazniti, a imao je toliko praznog prostora da je samo nekoliko grama tog materijala imalo ukupnu površinu jednaku onoj olimpijskog stadiona! Bio je to najporozniji materijal dotad pripravljen, rekord koji je do danas srušen više puta, često od strane samog Yaghija.
Ogroman potencijal za napredak
Kao šlag na torti, Yaghijev tim je od 2002. do 2003. godine potvrdio i unaprijedio Robsonovu teoriju o tome da je trodimenzijska struktura materijala određena strukturom povezivača uvođenjem principa tzv. retikularne kemije. Pripravili su niz organskih povezivača različite veličine, ali identičnog rasporeda 'ljepljivih skupina' i pokazali da se svi oni povezuju s klasterima cinka u strukture identične povezanosti (topologije), ali s različitim veličinama i svojstvima pora. Ovime su pokazali da se MOF materijali mogu ciljano prilagoditi željenim primjenama samo pametnim odabirom i dizajnom povezivača i metalnih centara.
Rad ove trojice otvorio je vrata strelovitom razvoju kemije poroznih materijala, a nove primjene MOF-ova u energetici, ekologiji, katalizi, industriji i šire istražuju se svaki dan širom svijeta, pa tako i u Hrvatskoj. Primjerice Laboratorij za održivu i primijenjenu kemiju Instituta Ruđer Bošković (u kojem je i autorica ovog teksta) radi na zelenoj mehanokemijskoj sintezi naprednih MOF-ova. Neki od ovih materijala u sebi imaju uključene magnetske, katalitičke ili fotoluminiscentne podjedinice ili goste koji im daju zanimljiva nova svojstva.
Drugi MOF-ovi na kojima rade mogu iz istih građevnih dijelova graditi mnoge trodimenzijske arhitekture različitih pora pa se za njihovu kontrolu kombiniraju nove tehnike mehanokemije i napredno računalno modeliranje. Svi pripravljeni MOF-ovi karakteriziraju se naprednim tehnikama u suradnji s drugim laboratorijima na IRB-u, na Sveučilištu u Zagrebu ili kod raznih suradnika u inozemstvu te se istražuje njihova moguća uporaba, na primjer u kvantnim računalima ili za pretvaranje ugljikova dioksida u održivo gorivo. Metalo-organske mreže i njihove primjene i dalje imaju ogroman potencijal za napredak. Preostaje nam vidjeti u kojim će se sve uzbudljivim smjerovima nastaviti njihov razvoj.
Dr. sc. Ivana Brekalo
Ivana Brekalo rodom je iz Splita, a prvostupnički i magistarski studij kemije završila je na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu u Zagrebu. Doktorirala je u Sjevernoj Americi, na sveučilištima Georgetown (Washington DC, SAD) i McGill (Montreal, Kanada), gdje se uglavnom bavila proučavanjem poroznih materijala i njihove priprave pomoću mehanokemijskih metoda.
Nakon doktorata zaposlila se u Laboratoriju za primijenjenu i održivu kemiju Instituta Ruđer Bošković (IRB), prvo kao poslijedoktorandica, a zatim kao znanstvena suradnica. Na IRB-u nastavlja svoj rad u razvoju novih metoda u mehanokemiji poroznih materijala, primarno metalo-organskih mreža te im pridružuje napredne metode računalne kemije koje je naučila na poslijedoktorskom usavršavanju na Sveučilištu u Varšavi.
Autorica je više znanstvenih radova, prezentirala je svoja istraživanja na mnogim međunarodnim znanstvenim skupovima, a posebno je interesira znanstvena komunikacija. U slobodno vrijeme bavi se plesom, društvenim igrama i primijenjenom kemijom u kuhinji (kuhanjem i pečenjem kolača).
