שלושה חוקרים – סוסומו קיטאגאווה, ריצ'רד רובסון ועומאר יאגי – זכו בפרס נובל על פיתוח חומרים נקבוביים חדשניים שמסוגלים לאחסן, לסנן וללכוד מולקולות, עם יישומים מרפואה ועד משבר האקלים
האקדמיה המלכותית השוודית למדעים הכריזה על זוכי פרס נובל לכימיה לשנת 2025: פרופ' סוסומו קיטאגאווה (Susumu Kitagawa) מאוניברסיטת קיוטו, פרופ' ריצ'רד רובסון (Richard Robson) מאוניברסיטת מלבורן, ופרופ' עומאר יאגי (Omar M. Yaghi) מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. השלושה זכו בפרס היוקרתי על פיתוח מסגרות מתכתיות-אורגניות (Metal–Organic Frameworks, או בקיצור MOFs) – חומרים חדשניים בעלי מבנים נקבוביים עצומים, שמסוגלים לכלוא, לאחסן ואף לסנן מולקולות קטנות כמו גזים ונוזלים.
מהן מסגרות מתכתיות-אורגניות?
כדי להבין את גודל ההישג, יש לדמיין חומר מוצק שנראה במבט ראשון כמו גביש רגיל. אך במבט עמוק יותר – ובאמצעות קרני רנטגן – מתגלה מבנה דמוי פיגום מולקולרי: יוני מתכת מחוברים ל"לוחות" או "קורות" אורגניות, ויחד הם יוצרים רשת תלת־ממדית יציבה עם חללים עצומים.
הייחוד של MOFs טמון בכך שניתן לתכנן מראש את גודל וצורת החללים הללו, ממש כמו אדריכלות מולקולרית. החללים יכולים להיות קטנים או גדולים, ובתוכם אפשר לאחסן מולקולות של גזים חשובים – למשל מימן, פחמן דו־חמצני או מתאן. בכך הם מהווים פתרון אפשרי לשורה של אתגרים עולמיים: החל מאגירת אנרגיה ירוקה, דרך הפחתת פליטות פחמן, ועד טיהור מים מזיהומים.
בעוד חומרים נקבוביים אחרים כמו זאוליטים או פחם פעיל מוכרים כבר עשרות שנים, היתרון של MOFs הוא הגמישות: החוקר יכול לבחור את יון המתכת ואת הליגנד האורגני, ויחד הם יוצרים מבנה עם תכונות ייחודיות – חוזק, יציבות תרמית, שטח פנים אדיר או תגובה ל"אורחים" שנכנסים אל החללים.
ההתחלה: מהרעיון אל הפריצה
עד שנות ה־90 נחשבה המשימה לייצר מבנים מורכבים במימד תלת־ממדי לבלתי אפשרית כמעט. הכימאי רואלד הופמן, חתן נובל בעצמו, הגדיר זאת אז כ"מדבר סינתטי". אולם פרופ' ריצ'רד רובסון מאוסטרליה סירב לקבל את המגבלות. הוא חקר כיצד יוני נחושת ואורגנוליגנדים מסוימים יכולים להתארגן למבנים גבישיים יציבים עם חללים פנימיים.
הניסוי המכריע שלו ב־1989 הפתיע את הקהילה המדעית: במקום חומר חסר סדר, התקבל גביש בעל מבנה "יהלומי" ברור, ובתוכו חללים מלאים במולקולות מומסות. זה היה הרגע שבו התברר לראשונה כי ניתן לשלוט בסינתזה של חומרים נקבוביים מתוכננים מראש.
במקביל, ביפן, פיתח סוסומו קיטאגאווה מסגרות דו־ממדיות שניתן היה למלא בגזים ולשחררם שוב בצורה מבוקרת. הוא טבע את המונח "קריסטלים נקבוביים רכים" והציע לחלק את התחום ל"דורות": הדור הראשון קרס בריקון, הדור השני אפשר מילוי וריקון חוזר, והדור השלישי אף שינה את צורתו בתגובה לאורחים שונים.
עומאר יאגי, מהחוקרים הפוריים והמצוטטים ביותר בכימיה העכשווית, לקח את התחום קדימה באמצעות מושג חדש: כימיה רשתית (Reticular Chemistry). הוא הגדיר את עקרונות "החיבור המודולרי" – כמו משחק לגו מולקולרי – שבאמצעותם ניתן להרכיב יחידות מתכת וליגנדים שונים לרשתות ענק בעלות שטח פנים של אלפי מטרים רבועים לגרם אחד בלבד. תרומתו הידועה ביותר היא יצירת MOF-5, שהפך לסמל של התחום בזכות יציבותו ושטח הפנים העצום שלו.
שימושים מעשיים
הפוטנציאל של MOFs עצום, וכבר כיום הם נחקרים ונבדקים ביישומים מגוונים:
- אגירת מימן למכוניות חשמליות המונעות בתאי דלק.
- לכידת פחמן דו־חמצני מארובות תחנות כוח כדי להפחית את משבר האקלים.
- טיהור מים – למשל ספיחת מזהמים עמידים כמו PFAS.
- רפואה מותאמת אישית – שחרור מבוקר של תרופות מתוך המסגרות.
- חקלאות ומזון – קליטת לחות מהאוויר היבש ושחרורה לשתייה או להשקיה.
השטח הפנוי בחומרים הללו יכול להגיע ליותר מ־10,000 מ"ר לגרם – נתון כמעט בלתי נתפס. לשם השוואה, שטח מגרש כדורגל הוא כ־7,000 מ"ר. כלומר, בגרם יחיד של חומר כזה "מוסתר" שטח פנים גדול יותר ממגרש שלם.
מי הם הזוכים?
- סוסומו קיטאגאווה – יליד קיוטו, בן 74, פרופסור באוניברסיטת קיוטו. מוכר כאבי תחום ה"קריסטלים הנקבוביים" ביפן. חוקר סקרן שהושפע מהמסורת המדעית היפנית לשלב דיוק ניסויי עם חשיבה פילוסופית על החומר.
- ריצ'רד רובסון – בן 83, פרופסור אמריטוס באוניברסיטת מלבורן באוסטרליה. עשה את הפריצה הראשונה בתחום בשנות ה־80. אוהב להגדיר עצמו "אדריכל של גבישים".
- עומאר יאגי – בן 60, יליד ירדן שעלה לארה"ב. פרופסור בברקלי, מייסד תחום "הכימיה הרשתית". ידוע גם כיוזם שיתופי פעולה בינלאומיים רחבים, במטרה להנגיש מדע וחומרים מתקדמים למדינות מתפתחות.
מבט לעתיד
כפי שכתבה ועדת הנובל, "מסגרות מתכתיות-אורגניות הפכו את מה שהיה פעם חלום – אדריכלות מולקולרית על פי דרישה – למציאות יומיומית במעבדות רבות ברחבי העולם." התחום ממשיך להתפתח, עם יישומים חדשים בהפקת אנרגיה, ברפואה ובתעשייה הכימית.
הפרס השנה אינו רק הכרה בשלושה חוקרים בולטים, אלא גם חגיגה של גישה חדשה במדע – שילוב של דמיון, מתמטיקה וגיאומטריה עם כימיה ניסויית. במילים אחרות: בניית עולם חדש, אטום אחר אטום, חלל אחר חלל.
הפירוט המדעי של וועדת פרס נובל
עוד בנושא באתר הידען:
