İklim değişikliğiyle mücadele eden moleküller için Nobel Ödülü

Bilim insanları Susumu Kitagawa, Richard Robson ve Omar Yaghi, iklim değişikliği ve tatlı su kıtlığı gibi sorunların çözümüne yardımcı olabilecek malzemeler üreten yeni bir moleküler yapı geliştirerek 2025 Nobel Kimya Ödülü'nü kazandılar.

Stokholm'daki İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi Çarşamba günü yaptığı açıklamada, Japonya’dan Susumu Kitagawa, İngiltere’den Richard Robson ve Ürdün'den Omar M. Yaghi'nin, gazların ve diğer kimyasalların akabileceği geniş boşluklara sahip moleküler yapılar yaratmaları nedeniyle 11 milyon kron (1,2 milyon dolar) ödülü paylaşacaklarını duyurdu.

Bu malzemelerin “duyulmamış özelliklerini” tanımlayan ödül komitesi, bazılarının dikkat çekici derecede geniş bir yüzey alanına sahip olduğunu belirtti. Kabaca bir şeker küpü büyüklüğündeki gözenekli bir malzeme, bir futbol sahası kadar geniş bir yüzey alanına sahip olabilir. Nobel Kimya Komitesi üyesi Olof Ramstrom, “Bu tür malzemelerin küçük bir miktarı, Harry Potter'daki Hermione'nin el çantası gibi olabilir. Küçük bir hacimde çok büyük miktarda gaz depolayabilir” dedi.

Nobel Komitesi’nin açıklamasında şöyle denildi:

“2025 Nobel Kimya Ödülü sahipleri, gazların ve diğer kimyasalların geçebileceği geniş boşluklara sahip moleküler yapılar oluşturdular. Metalik-organik yapılar (metalic–organic frameworks) olarak adlandırılan bu yapılar, çöl havasından su elde etmek, karbondioksiti yakalamak, zehirli gazları depolamak veya kimyasal reaksiyonları katalize etmek için kullanılabilir. Metal-organik yapıların geliştirilmesi sayesinde, ödül sahipleri kimyagerlere karşılaştığımız bazı zorlukları çözmek için yeni fırsatlar sundular.”

Araştırmacılar, bu yapıları karbondioksiti yakalamak, hidrojeni depolamak, çöl havasından su elde etmek ve sudan kirletici maddeleri çıkarmak için kullanmaya başladılar. Enerji, elektronik ve ilaç sektörleri dahil olmak üzere endüstriyel ölçekli süreçlerde kullanım potansiyeli var.

Nobel Ödülü'nü kazanan metal-organik çerçeveler, her türlü maddeyi barındırabilen odaları olan çok geniş bir stüdyo daire olarak düşünülebilir. Kitagawa, Robson ve Yaghi, bunları ilk kez yaratan ve potansiyellerini gösteren kişilerdi. O zamandan beri, diğer kimyagerler on binlerce çerçeve tasarlayarak yeni kimyasal mucizeleri mümkün kıldılar.

Robson, bu keşif için ilk ilhamı, öğrencilerin tahta toplar ve çubuklar kullanarak moleküller oluşturmaları gereken bir kimya dersi için hazırlık yaparken aldı. 1974 yılındaydı ve o zamanlar Melbourne Üniversitesi'nde öğretmenlik yapan Robson, üniversitenin atölyesinden bu aktivite için tahta toplara delikler açmasını istedi.

Ancak bu delikler rastgele yerleştirilemezdi. Deliklerin açılması gereken yerleri işaretlerken Robson, konumlandırmada çok fazla bilgi olduğunu fark etti. Sonunda, elmaslardaki karbon atomları gibi düzenli bir kristal yapı oluşturan yeni moleküler yapılar keşfetti. Ancak elmaslardan farklı olarak, yeni yapı çok sayıda büyük boşluk içeriyordu.

Kyoto Üniversitesi'nde profesör olan Kitagawa, 1997'de Robson'ın ilkelerini kullanarak, şeklini değiştirmeden metan, nitrojen ve oksijeni emebilen ve salabilen bir malzeme yaratarak bir başka çığır açan keşif yaptı. Daha sonra, su veya metanla doldurulduğunda şekli değişen ve boşaltıldığında orijinal şekline dönen, bir nevi akciğer gibi davranan esnek bir malzeme geliştirdi.

Ürdün'de elektrik ve su olmayan koşullarda büyüyen UC Berkeley profesörü Yaghi, araştırmaya bir başka atılım daha kazandırdı. O, çerçeveleri rasyonel bir şekilde değiştirip dönüştürmenin mümkün olduğunu keşfetti.

Elektronik endüstrisi artık yarı iletkenlerin üretiminde gerekli olan bazı zehirli gazları tutmak için gözenekli malzemeler kullanabiliyor. Fabrikalardan ve elektrik santrallerinden karbondioksiti yakalayabilen malzemeler, sera gazı emisyonlarını azaltmak amacıyla test ediliyor. Bazıları, çevrede bulunan ilaç kalıntılarını parçalamak için kullanılabilir.

Bu keşfin yolu 1989 yılında, Robson'ın atomların doğal özelliklerini yeni bir şekilde test ederek, düzenli, geniş ama kararsız bir kristal oluşturmasıyla başladı. 1992'den 2003'e kadar Kitagawa ve Yaghi, ayrı ayrı çalışarak bu temeli geliştirdiler. Kitagawa, gazların bu yapıların içine ve dışına akabileceğini gösterdi ve bunların esnek hale getirilebileceğini öngördü, Yaghi ise çok kararlı bir yapı oluşturdu ve bunun değiştirilebileceğini gösterdi.

Komite, ödülü açıklarken, “Bazı araştırmacılar, metal-organik yapılar o kadar büyük bir potansiyele sahip ki, yirmi birinci yüzyılın malzemesi olacaklar” dedi.

Kitagawa, Nobel basın toplantısında bu ödülü almaktan büyük onur duyduğunu söyledi ve “Hayalim, havayı yakalayıp ayrıştırmak - örneğin CO2, oksijen, su veya başka bir şeye - ve bunu yenilenebilir enerji kullanarak faydalı malzemelere dönüştürmek,” dedi.

Umut vaat eden alanlardan biri, küresel karbondioksit emisyonlarının %7'sini oluşturan en kirli endüstriyel süreçlerden biri olan çimento üretiminde karbon yakalama. Metalik-organik yapılar, atmosfere salınmadan önce karbonu yakalamak için bazı çimento fabrikalarında halihazırda kullanılıyor.

Yaghi basın toplantısında, “Bunu abartılı bir şey olarak görmüyorum, bu bilimin, temel bilimin, topluma fayda sağlamak için uygulanmasıdır” dedi.

Keşiflerin ardından kimyagerler on binlerce farklı metalik-organik yapı geliştirdi. Akademi, bunların bazılarının “insanlığın en büyük sorunlarının çözümüne katkıda bulunabileceğini” belirterek, ek kullanım alanları arasında toksik PFAS veya “sonsuza kadar kalıcı kimyasalların” sudan ayrıştırılması ve çevrede bulunan ilaç kalıntılarının parçalanmasının da yer aldığını ekledi.

Geçen yılın kimya Nobel ödülü, proteinler üzerine yaptıkları çığır açıcı araştırmalarından dolayı ödülü bir ABD'li profesörle paylaşan iki Google DeepMind bilim insanına verildi. Bu ödülü kazanan ünlü keşifler arasında 1964'te penisilinin yapısının haritalandırılması ve 1961'de bitkilerin karbondioksiti karbonhidratlara dönüştürme yöntemleri yer alıyor.

Kitagawa, memleketi Japonya'daki Kyoto Üniversitesi'nde profesördür, İngiltere doğumlu Robson ise Avustralya'daki Melbourne Üniversitesi'nde profesördür. UC Berkeley'de profesör olan Yaghi ise Ürdün doğumludur.