Нобелевская премия по химии за 2025 год напоминает о главном изобретении самого Альфреда Нобеля — динамите. Но не потому, что нынешние лауреаты сделали что-то взрывоопасное

А в чем тогда параллель?

Если после школьного курса химии вы думаете, что это косная и скучная наука, то вам стоит обязательно изучить историю нобелевских лауреатов 2025 года. Ричард Робсон, Сусуму Китагава и Омар Ягхи доказали: упорство и вера в свои идеи способны, вопреки скепсису научного сообщества, привести к прорывным результатам. Исследования ученых помогли создать новые химические структуры с невероятным потенциалом. И хотя до их широкого практического применения пока не дошло, это, вероятнее всего, вопрос времени. Отдел «Разбор» рассказывает об изобретении Робсона, Китагавы и Ягхи и объясняет, в чем их работа напоминает научное наследие самого Альфреда Нобеля.

Альфред Нобель, как известно, изобрел динамит. А на деньги, вырученные от его производства и продажи, основал премию своего имени. В 2025 году эту премию в химической номинации присудили Сусуму Китагаве, Ричарду Робсону и Омару Ягхи, которые, по сути, воспроизвели изобретение Нобеля — хотя и на совсем ином научном и техническом уровне.

Нынешних лауреатов наградили с формулировкой «за разработку металлоорганических каркасных структур». Конечно, аналогия между динамитом и этими «структурами» не в том, что их можно использовать для подрыва рудников (изобретенные Китагавой, Робсоном и Ягхи вещества не взрываются). Дело в другом.

Альфред Нобель, как ни странно, взрывчатых веществ тоже не изобретал, и суть его инновации иная. Созданный им динамит — это не какое-то химическое вещество с конкретной формулой, а материал, состоящий из двух разных веществ: нитроглицерина (который задолго до Нобеля синтезировал итальянский химик Асканио Собреро) и так называемой диатомовой земли. Это горная порода, образованная отложениями диатомовых водорослей.

Диатомовые водоросли — это микроскопические одноклеточные существа, которые создают себе твердую оболочку, а когда умирают, превращаются в едва видимые глазом гранулы. Внутри такой гранулы существует полость, которую когда-то занимала сама клетка. За миллионы лет осадки диатомовых водорослей превращаются в ископаемый диатомит, он же кизельгур, главное свойство которого — как раз огромная внутренняя пористость.

Суть изобретения шведского промышленника и ученого заключалась в том, чтобы поместить одно уже известное вещество (нитроглицерин) в другое (диатомит), изменив таким образом их свойства. В итоге крайне нестабильный и взрывоопасный нитроглицерин стал существенно более устойчивым, и с ним наконец стало безопасно работать взрывникам.

Изобретение нынешних лауреатов представляет собой вариацию на ту же тему: соединить некий пористый, каркасный материал и его наполнитель, чтобы придать всему материалу совершенно иные свойства.

Разница между изобретениями — а она существенная — в том, что лауреаты 2025-го не пользовались в своей работе тем, что уже есть в природе. Они научились создавать «диатомовые водоросли» с нуля, придумывали их из общих принципов, а затем буквально поатомно собирали в сложные супрамолекулярные структуры. Более того, им удалось не просто синтезировать несколько интересных соединений — своим подходом они создали целое направление в науке, которое впоследствии назвали «ретикулярной химией».

Как нобелевские лауреаты шли к своим открытиям

История первого шага, который привел нынешних лауреатов к нобелевскому изобретению, хорошо задокументирована. Вот как ее описывает сам Ричард Робсон в прошлогодней статье-воспоминании, опубликованной в журнале The Chemical Record:

В 1974 году (в то время 37-летний Робсон преподавал в Университете Мельбурна, — прим. «Медузы») мне поручили создать модели нескольких основных неорганических структур из шариков и палочек — они были предназначены для демонстрации на лекциях студентам первого курса. Во время сборки моделей, когда в моей голове крутились разные идеи о предварительной организации [веществ], которые мы тогда активно исследовали, у меня возник вопрос: «Если заменить шарики молекулами, а стержни/палочки — химическими связями, возможно ли, что функционализированные, предварительно организованные строительные блоки подвергнутся спонтанной реакции и соберутся в расширенные сети целевой структуры?»

Другими словами, обычные в каждом химическом классе деревянные модели атомов навели Робсона на мысль о том, что, если отвлечься от атомов, сам принцип моделирования можно использовать для организации совсем иных строительных блоков. Не собирать из атомов молекулы, как химики делали до сих пор (и что ученики воспроизводят в классах на моделях из шариков и палочек), а подняться на уровень выше: использовать сами молекулы как строительные блоки и собирать из них надмолекулярные (химики говорят «супрамолекулярные») структуры.

Первой реализацией этой идеи стало вещество, представленное на рисунке ниже. Уже оно представляло собой пример каркасной структуры, полностью придуманной и синтезированной «на кончике пера». Пример того, как исследователь знает, что именно хочет получить, и подбирает под это видение строительные элементы.

Идея Робсона работала следующим образом. Он, конечно, знал, что самое твердое соединение на земле, алмаз, имеет тетраэдрическую структуру, которая во многом и обеспечивает его твердость. Тогда ученый решил, что создаст «новый алмаз» из других строительных блоков, если заставит их собираться в форме тетраэдра.

Главным из этих блоков должно было стать вещество с центром в виде одного атома углерода, к которому с четырех сторон, точно как в алмазе, присоединялись бы специальные «ручки» с химическими группами, способными захватывать ионы меди (нитрильными группами, —C≡N). Медь, в свою очередь, соединяла эти тетраэдрические блоки друг с другом. В итоге должно было получиться соединение, сильно напоминающее алмаз по общей геометрической структуре, но построенное из совсем других базовых блоков. А главное, огромную часть объема в нем занимали поры — настолько крупные, что в них могли бы поместиться молекулы других веществ.

У нового соединения, придуманного и синтезированного Робсоном, было много недостатков.

• Во-первых, оно, хотя и было построено по мотивам алмазной кристаллической решетки, не отличалось твердостью или прочностью. До такой степени, что не выдерживало даже удаление растворителя: без молекул, наполнявших пустоты в координационном полимере, вся структура разваливалась.
• Во-вторых, исходно не было ясно, зачем такое соединение в принципе может понадобиться. Заявки на гранты, которые подавал Робсон для финансирования дальнейших исследований, просто отметали, так как с ходу придумать практическое применение своим соединениям ученый не мог.
• В-третьих, даже когда такое применение придумывалось, все аргументы Робсона и коллег натыкались на непреодолимую стену под названием «цеолит». Это целый класс веществ на основе алюмосиликатов кальция и натрия, которые имеют пористую структуру — очень похожую на ту, что была получена Робсоном в первом эксперименте. У цеолитов было, однако, принципиальное отличие: они встречаются в природе в огромном количестве и стоят примерно как песок. В такой ситуации убедить кого-то, что миру нужен новый пористый материал, который был бы дороже свободно доступных цеолитов, казалось нереально.

На стороне Робсона и его соавторов был лишь тот факт, что новое соединение действительно существовало. Строительные блоки, придуманные исследователями «из головы», реально собирались в строгую структуру, хотя большинство их коллег ожидали, что вместо стройной кристаллической решетки выйдет в лучшем случае беспорядочная сеть перепутанных и слабо связанных друг с другом молекул. То, что сам принцип сборки на основе ионов металлов и специально подобранных органических молекул, связывающих металлы, работает, было удивительно. А значит, надо было двигаться дальше.

Следующий важный шаг на пути к созданию современных координационных полимеров сделал Сусуму Китагава, которого не смущала «непрактичность» исследований Робсона. Именно Китагаве удалось добиться того, что супрамолекулярные структуры из координационно связанных металлов и органических веществ будут стабильны даже после удаления растворителя, то есть в сухом виде.

Он придумал и реализовал трехмерную структуру уже совсем другой геометрии. Напоминающую скорее ткань, чем кристалл алмаза. В ней полимерные нити были расположены перпендикулярно друг другу, а полости между ними формировали целые каналы, свободно проходящие сквозь всю толщу вещества. Оказалось, что такой полимер может обратимо поглощать молекулы метана, азота и кислорода — и при этом не терять структуры. Этот прорыв произошел только в 1997 году, когда Китагава решил использовать для создания металлоорганических полимеров ионы никеля, кобальта и цинка, а также органический базовый блок на основе бипиридина.

Наконец, в начале 2000-х третий из лауреатов, Омар Ягхи, сделал еще один важнейший шаг — придумал модульную систему, которая оказалась крайне вариативной и позволяла создавать координационные полимеры практически под любую нужную «гостевую» молекулу.

Ягхи показал, как именно, варьируя длину и тип линкеров, соединяющих узловые элементы, ученые могут делать молекулярные поры внутри вещества крупнее или мельче. А значит — как можно управлять тем, какие молекулы могут проникать в эти поры и храниться в толще материала.

Первым таким соединением стал синтезированный в 1999 году MOF-5, в котором были использованы узловые элементы на основе углерода, цинка и кислорода. Но впоследствии к ним добавилось множество других координационных полимеров и даже целых их семейств.

Например, NU-100 способен связывать в своих порах углекислый газ — что, конечно, интересует многих в связи с развитием проектов прямого захвата углекислоты из воздуха. Емкость NU-100 просто фантастическая: всего один грамм полимера способен поглотить 2,3 грамма CO2 — и если это не впечатляет, то только потому, что сложно представить, насколько большой объем занимают газы при их небольшой массе. Существуют совсем другие металлоорганические каркасные структуры, поры которых настолько крупные, что способны уместить в себя даже отдельные белки — как это было продемонстрировано, например, с зеленым флюоресцентным белком, GFP.

Как диатомит и цеолиты, пористые металлоорганические каркасные структуры имеют очень большое соотношение поверхности к объему. Но в отличие от природных материалов, это соотношение для них принципиально, непредставимо больше. Например, синтезировано вещество с названием MOF-210, всего один грамм которого имеет поверхность площадью более 10 тысяч квадратных метров — то есть равную квадрату со стороной 100 на 100 метров. Способность MOF-210 впитывать в себя другие вещества можно сравнить с губкой. Но, конечно, никакая губка не справится с такой же емкостью.

Современные металлоорганические каркасные структуры крайне разнообразны и могут использоваться для захвата водяного пара, фильтрации токсических соединений, очистки металлов из растворимого сырья и многих других задач. Большинство этих способностей пока не добрались до широкого применения и доступны только в лабораториях. Но нужно помнить, что современным координационным полимерам пока лишь четверть века — и ученые продолжают их активно совершенствовать. Можно не сомневаться, что за практическим применением этих нобелевских соединений дело не станет.

Отдел «Разбор»