Nobelpreis für Chemie 2025
(nobelprize.org)- Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi erhalten den Nobelpreis für Chemie 2025 für die Entwicklung von metallorganischen Gerüststrukturen (MOFs)
- MOFs sind molekulare Architekturen mit großen Hohlräumen (cavities) und bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten wie Wasserspeicherung, Kohlenstoffabscheidung, Wasserstoffspeicherung und die Entfernung von Schadstoffen
- Durch das erstmalige Design und die praktische Umsetzung innovativer MOFs wurde die Entwicklung von zehntausenden maßgeschneiderten chemischen Materialien möglich
- Im Unterschied zu herkömmlichen Materialien zeichnen sich MOFs durch einzigartige Vorteile wie Flexibilität, vielfältige Molekülkombinationen und hohe Funktionalität aus
- MOFs eröffnen in Forschung und Industrie neue chemische Lösungen und gelten zunehmend als Schlüsselmaterial des 21. Jahrhunderts
Die Erschließung neuer Räume der Chemie: Nobelpreis für Chemie 2025
Überblick
- Der Nobelpreis für Chemie 2025 wird an Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi verliehen
- Sie entwickelten die innovative Molekülstruktur metallorganische Gerüststrukturen (MOFs, Metal–Organic Frameworks)
- MOFs sind Architekturen mit sehr großen inneren Hohlräumen, durch die verschiedene Moleküle ein- und austreten können
- Dadurch werden vielfältige innovative Anwendungen möglich, etwa Wassergewinnung aus Wüstenluft, Entfernung von Schadstoffen, Abscheidung von Kohlendioxid und Speicherung von Wasserstoff
Entstehung und Grundidee der MOFs
Die Idee begann mit einem molekularen Holzmodell (Richard Robson)
- 1974 entwickelte Richard Robson für den Unterricht ein molekulares Holzmodell und ließ sich dabei von der Art inspirieren, wie Atome Bindungen eingehen
- Er entwarf die Idee, Metallionen mit vier Bindungsrichtungen wie bei Kohlenstoff mit organischen Molekülen mit vier Armen zu kombinieren
- So entstand erstmals ein geordnetes Molekülkristall, das im Inneren sehr große Hohlräume besitzt
- 1989 veröffentlichte er diese innovative Struktur und nahm damit eine neue Methode des Materialdesigns vorweg
Experimente und zukunftsorientierte Vorschläge
- Robson kombinierte verschiedene Ionen und Moleküle zu Gerüststrukturen mit Hohlräumen und zeigte experimentell, dass darin tatsächlich ein Ionenaustausch im Inneren möglich ist
- Diese Strukturen eröffneten Möglichkeiten zur Erweiterung in neuartige chemische Materialien, etwa für selektive Katalyse chemischer Reaktionen
- Die damaligen Strukturen waren zwar instabil, inspirierten aber durch ihr zukunftsorientiertes Konzept spätere Forschende
Die unabhängige Pionierarbeit von Kitagawa und Yaghi
Kitagawa: „Der Nutzen des Nutzlosen“
- Susumu Kitagawa entwickelte zunächst unter dem Prinzip „der Nutzen des Nutzlosen“ poröse Molekülstrukturen, die zunächst keinen besonderen Verwendungszweck hatten
- Nach der Vorstellung einer kupferionenbasierten 2D-Struktur im Jahr 1992 realisierte er 1997 ein langlebiges 3D-MOF, das Gase speichern kann
- Im Vergleich zu bestehenden Zeolithen besitzen MOFs besondere Stärken wie Materialflexibilität und Vielfalt der Bausteinmoleküle
- 1998 schlug er das Konzept der Flexibilität von MOFs vor und eröffnete damit ein neues Paradigma in der Fachwelt
Yaghi: Beharrlichkeit im atomaren Design
- Omar Yaghi wuchs unter schwierigen Bedingungen auf und entwickelte eine tiefe Neugier für molekulare Strukturen
- 1992 versuchte er an der Arizona State University ein rationales Moleküldesign und stellte ein 2D-MOF vor, das Metallionen und organische Moleküle kombiniert
- 1995 prägte er erstmals den Begriff „metal–organic framework“ und führte das MOF-Feld damit maßgeblich an
- 1999 entwickelte er das repräsentative Material MOF-5 und zeigte dessen Innovationskraft: Schon 2–3 g bieten eine innere Oberfläche von der Größe eines Fußballfelds
- 2002–2003 bewies er, dass sich MOFs mit unterschiedlich großen Hohlräumen gezielt vorteilhaft entwerfen lassen
Anwendungen und Wirkung von MOFs
Innovative Nutzung in vielen Bereichen
- MOFs lassen sich auf Molekülebene maßschneidern und ermöglichen dutzende hochfunktionale Anwendungen wie Wasseraufnahme, Gasspeicherung, Wirkstofftransport, Abscheidung giftiger Gase und Abbau von Schadstoffen
- Die Yaghi-Gruppe zeigte konkrete Einsatzmöglichkeiten, etwa die Gewinnung von Wasser aus Wüstenluft
- MOF-Materialien wie UiO-67, MIL-101, ZIF-8, CALF-20 und NU-1501 werden in industriellen Umgebungen experimentell für Wasserstoff-/Kohlendioxidspeicherung, PFAS-Entfernung und Extraktion seltener Erden eingesetzt
Erwartungen an ein Zukunftsmaterial des 21. Jahrhunderts
- MOFs befinden sich derzeit noch in der Phase kleinerer Forschungsvorhaben und Prototypenproduktion, doch Massenproduktion und Kommerzialisierung werden inzwischen intensiv vorangetrieben
- Sie gelten auch als gefragte Lösungen für Klima- und Umweltprobleme, etwa bei der Speicherung schädlicher Gase in der Elektronikindustrie, der Kohlenstoffabscheidung und der Wasserstoffspeicherung
- Viele Forschende gehen davon aus, dass MOFs zu den prägenden neuen Materialien des 21. Jahrhunderts gehören werden
Kurzbiografien der Preisträger
- Susumu Kitagawa: geboren 1951 in Kyoto, Japan; Promotion an der Universität Kyoto; Professor an der Universität Kyoto
- Richard Robson: geboren 1937 im Vereinigten Königreich; Promotion an der Universität Oxford; Professor an der University of Melbourne
- Omar M. Yaghi: geboren 1965 in Amman, Jordanien; Promotion an der University of Illinois; Professor an der UC Berkeley
Weitere Informationen
- Ausführlichere wissenschaftliche Hintergründe und Materialien sind auf www.nobelprize.org verfügbar
- Videos zur Auszeichnung, Vorträge und Informationen zu Ausstellungen sind auf der offiziellen Website des Nobel Prize Museum zu finden
Nobelpreis für Chemie 2025 für die Entwicklung metallorganischer Gerüststrukturen
Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi
„for the development of metal–organic frameworks“
© The Royal Swedish Academy of Sciences
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Glückwünsche an die Preisträger; die Leistungen sind wirklich preiswürdig. Kurz gesagt: poröse Materialien wie ein Schwamm erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit und sind nützlich, um Moleküle (Wasser, CO2, Schadstoffe usw.) einzufangen und wieder freizusetzen; je größer die Oberfläche, desto wertvoller sind sie. Früher wurden vor allem Zeolithe (natürliche und synthetische Alumosilikat-Minerale) verwendet, synthetische Zeolithe entstanden jedoch fast nur durch Trial-and-Error. MOFs (Metal-Organic Frameworks) lassen sich im Voraus entwerfen, und ihre Oberfläche ist viel größer als die von Zeolithen (Zeolithe meist 20–400 m2/Gramm, MOFs 1000–7000+ m2/Gramm). MOFs sind derzeit noch teuer, sodass man vorerst weiter Zeolithe verwenden muss, aber sie werden immer zugänglicher – man kann MOFs inzwischen sogar bei Amazon kaufen – und es wird erwartet, dass einfache MOFs künftig günstiger werden.
Die Geschichte über den „Aha!“-Moment inspiriert mich dazu, Ideen physisch zu bearbeiten. Ich ließ mir Holzkugeln geben und baute Molekülmodelle, wobei ich erkannte, dass die Information in der Position der Löcher verborgen ist. Automatisch entstanden die richtige Form und Struktur, und daraus entwickelte sich die Idee, mithilfe der Eigenschaften von Atomen neue Molekülstrukturen zu entwerfen.
Mich erinnert das an die Anekdote in <Surely You Must Be Joking, Mr. Feynman>, in der Richard Feynman, als er mit einer Idee feststeckte, im Restaurant über einen rotierenden Teller nachdachte und dadurch eine mathematische Beziehung untersuchte. Diese Berechnung hatte damals an sich keinen besonderen Zweck, spielte später aber eine entscheidende Rolle dabei, dass er den Nobelpreis erhielt. Die Botschaft lautet: Unterschätzt niemals die Kraft des Spielens.
Diese Materialien wirken tatsächlich wie eine reale Version eines Menger-Schwamms mit riesiger innerer Oberfläche. Vor 15 Jahren habe ich als Praktikant in einem Unternehmen für Entschwefelungskatalysatoren gearbeitet – Katalysatoren, die Schwefelbestandteile aus Rohöl entfernen, damit Kraftstoffe nicht übel riechen – und einige luftstabile MOFs hergestellt, die leicht zu handhaben waren. Da die Reaktion zwischen Fluid und Katalysator an der Katalysatoroberfläche stattfindet, erhöhen größere Oberflächen die Reaktionsgeschwindigkeit und Wirksamkeit. Ich habe MOFs nach Papers reproduziert, und die innere Oberfläche war wirklich so enorm, dass alle im Unternehmen schockiert waren. Ich habe im Grunde nur das Experiment nachgestellt und die Oberfläche gemessen, bekam dafür aber die Bestnote; deshalb danke ich Yaghi und dem Forschungsteam, die die MOFs entwickelt haben, und bewahre daran stets gute Erinnerungen.
Solche Dinge zu experimentieren ist schön und gut, aber wenn man sie tatsächlich industriell einsetzen will, müsste man sich dann nicht Sorgen um teure Patent- oder Lizenzgebühren machen?
Auf die Formulierung „reale Version eines Menger-Schwamms mit riesiger innerer Oberfläche“ reagiert jemand schlagfertig im Sinne von: Da war ich auch schon immer.
MOFs waren in der Chemie der letzten zehn Jahre ein „heißes“ Thema, daher überrascht die Auszeichnung nicht besonders; Glückwünsche an die Preisträger.
Die Erklärung war wirklich gut geschrieben, aber ein paar Dinge fand ich schade. Dass in „metal–organic“ ein en dash statt eines Bindestrichs verwendet wurde, und dass in „the ions and molecules inherent attraction…“ das Genitiv-Apostroph fehlt, stört mich.
Das zweite fehlende Apostroph ist einfach ein Tippfehler, aber das erste – die Verwendung des en dash – ist absolut korrekt und sieht gut aus. Wie im Wikipedia-Beispiel wird ein en dash verwendet, um Beziehungen auszudrücken, und es ist beeindruckend, dass im Artikel und im Tweet konsequent ein en dash verwendet wurde. Wikipedia-Referenz zum en dash
Wer Schwede ist, ist im Umgang mit englischen Apostrophen nicht so vertraut und macht beim Schreiben auf Englisch leicht Fehler; umgekehrt gilt das genauso.
Heutzutage kennen nur noch sehr wenige den Unterschied zwischen Bindestrich, en dash und em dash, und im Internet entstehen durch wechselnde Fonts und Zeichensätze noch mehr Fehler. Es hat sich keine Konvention etabliert wie zu Schreibmaschinenzeiten, bei der '-' für Bindestrich und en dash und ' -- ' für em dash steht. Der Einfluss von Microsoft Word ist ebenfalls groß. Beim Apostroph-Fehler gibt es allerdings keine Entschuldigung.
Zu Professor Kitagawas <takumigokoro> (匠心, Herz eines Handwerkers) müsste die herangezogene daoistische Geschichte aus dem Zhuangzi etwas genauer erklärt werden. Es wird die Legende vom Zimmermann Luban erzählt, der komplexe, aber nützliche Strukturen hervorragend baut, dabei jedoch, weil er nur der Nützlichkeit nachjagt, letztlich die Unsterblichkeit nicht erlangt, die er eigentlich wollte. Zhuangzi meint, Luban habe den „Nutzen des Nutzlosen“ nicht verstanden, doch tatsächlich wurde Luban von Handwerkern als Gott verehrt.
Die coolste Art, Materialien mit organischer Chemie zu designen, ist, seine eigenen kleinen Lego-Bausteine zu entwerfen und sie sich dann ganz von selbst zu gewaltig großen Strukturen zusammenbauen zu lassen.
Falls sich das wie erwartet praktisch umsetzen lässt, wären die Anwendungsgebiete von MOFs wirklich gewaltig.
Wenn man selbst in der Wüste Wasser aus der Luft gewinnen könnte, wäre das eine enorme Veränderung; man fragt sich zwar, ob die Luft dadurch nicht zu trocken würde, aber das ließe sich wohl steuern.
Man könnte CO2 unterirdisch speichern und so das Treibhausgasproblem lösen; in der Erdgasindustrie gibt es bereits Technologien zur Gasabscheidung. Man müsste nur noch einen Weg finden, reines CO2 aus der Atmosphäre zu extrahieren, und es wird erwartet, dass MOFs die beste Technologie dafür sein könnten.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Ressourcen, die nötig wären, um reines CO2 aus der Atmosphäre einzufangen, weit größer wären, als man sich vorstellt.
Es wird gefragt, ob die Technik, Wasser aus der Luft zu ziehen, zu besseren Luftentfeuchtern führen könnte.
Die im Artikel verwendeten Einheiten sind verwirrend. Zum Beispiel heißt es sinngemäß, „einige Gramm MOF-5 hätten eine Fläche so groß wie ein Fußballfeld“, aber Gramm ist eine Masseneinheit und ein Fußballfeld eine zweidimensionale Fläche – ich verstehe nicht, wie das zusammenhängt. Vielleicht ist gemeint, dass einige Gramm MOF-5 genug Gas aufnehmen können, um bei 1 Atmosphäre einen Raum von der Größe eines Fußballfelds zu füllen, aber das wirkt wie eine überzogene Interpretation.
Hier geht es um die innere Oberfläche. Das ist zum Beispiel ähnlich wie die Frage, welche Oberfläche 10 g Schweizer Käse in den inneren Löchern haben.
Es ist leichter zu verstehen, wenn man sich vorstellt, eine extrem dünne Decke von der Größe eines Fußballfelds zusammenzuknüllen und zu einer sehr kleinen Kugel zu formen.