รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2025 มอบให้แก่ผู้พัฒนาโครงข่ายโลหะอินทรีย์

อาจารย์จาก University of California, Berkeley, CA, USA, Prof. Omar M. Yaghi ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2025 ร่วมกับ Prof. Richard Robson จาก University of Melbourne, Melbourne, Australia และ Prof. Susumu Kitagawa จาก Kyoto University, Kyoto, Japan จากผลงานบุกเบิกในการพัฒนา โครงข่ายโลหะอินทรีย์ หรือ Metal-Organic Frameworks (MOFs)

โครงข่ายโลหะอินทรีย์ (MOFs) คืออะไร?

MOFs เป็นวัสดุผลึกที่มีรูพรุนที่ถูกออกแบบในระดับโมเลกุล โดยมีโครงสร้างคล้ายกรงหรือโครงสร้างนั่งร้าน (scaffolding) ที่เชื่อมต่อกันอย่างเป็นระเบียบ โดยสร้างจากการนำไอออนของโลหะที่ทำหน้าที่เป็นจุดมุมมาเชื่อมต่อกับโมเลกุลอินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นแกนเชื่อม คุณสมบัติเด่นเชิงโครงสร้างของ MOFs คือการมีช่องว่างและรูพรุนขนาดใหญ่ ซึ่งช่วยให้มีพื้นที่ผิวภายในกว้างมาก กล่าวคือ เพียงวัสดุ MOF ปริมาณเล็กน้อยสามารถมีพื้นที่ผิวภายในเทียบเท่าสนามฟุตบอลขนาดใหญ่ได้

เนื่องจากการมีรูพรุนที่สามารถควบคุมขนาดและคุณสมบัติได้ MOFs จึงถูกนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายด้านเพื่อแก้ปัญหาระดับโลก เช่น การดักจับคาร์บอนไดออกไซด์จากแหล่งกำเนิดหรือในอากาศ การเก็บกักไฮโดรเจนอย่างมีประสิทธิภาพสำหรับพลังงานสะอาด การดักจับและแยกสารเคมีอันตราย เช่น สารเคมีกลุ่ม forever chemicals หรือ PFAS ออกจากน้ำ และการดูดซับน้ำจากอากาศที่มีความชื้นต่ำในสภาพแวดล้อมที่เป็นทะเลทรายได้

เบื้องหลังการพัฒนา MOFs

MOFs คือตัวอย่างที่แสดงถึงพลังของการรวมกันของเคมีอินทรีย์และอนินทรีย์ แต่การเชื่อมต่อหน่วยอินทรีย์และอนินทรีย์เข้าเป็นโครงสร้างที่เป็นระเบียบนั้นเป็นความท้าทายมาหลายปี จนกระทั่งปลายทศวรรษ 1980 Prof. Richard Robson ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากโครงสร้างของเพชร ได้ค้นพบว่าสามารถสร้างโครงสร้างดังกล่าวได้โดยใช้ไอออนทองแดงเชื่อมต่อกับโมเลกุลไนไตรล์รูปทรงสี่หน้า โครงสร้างที่ได้มีรูพรุนและเป็นระเบียบแต่ก็เปราะบางและพังทลายได้ง่าย

©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

ต่อมา Prof. Susumu Kitagawa และ Prof. Omar M. Yaghi ได้คิดค้นวิธีการสร้างโครงข่ายที่มีความทนทานทางสถาปัตยกรรม ซึ่งนำไปสู่การใช้งานจริง ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 Prof. Susumu Kitagawa ได้ออกแบบโครงสร้าง MOF ที่ซับซ้อนโดยการรวมองค์ประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์หลายชนิดเข้าด้วยกัน ซึ่งมีความเสถียรเพียงพอที่จะดูดซับและปล่อยก๊าซต่าง ๆ เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน และมีเทนได้ อีกทั้งยังคาดการณ์ว่าสามารถสร้าง MOFs ที่มีความยืดหยุ่นได้

ในช่วงเวลาเดียวกัน Prof. Omar M. Yaghi ก็ทำงานเกี่ยวกับการสร้าง MOFs ที่มีความเสถียรเช่นกัน ในปี 1995 Prof. Omar M. Yaghi รายงานการสังเคราะห์ MOF ชนิดแรกที่ไอออนโลหะถูกเชื่อมด้วยตัวเชื่อมคาร์บอกซิเลตที่มีประจุ โดยเรียกแนวทางการสังเคราะห์ว่า “เคมีโครงข่าย (Reticular chemistry)” และได้สร้าง MOFs ที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา นอกจากนี้ ยังเชื่อมต่อโมเลกุลอินทรีย์ด้วยพันธะโควาเลนต์เพื่อสร้างโครงข่ายอินทรีย์โควาเลนต์ (Covalent organic frameworks: COFs) และบทบาทสำคัญในการนำ MOFs ออกสู่ห้องปฏิบัติการ โดยห้องปฏิบัติการของ Prof. Omar M. Yaghi ได้แตกสาขาออกเป็นบริษัทเพื่อนำเทคโนโลยีไปใช้ในเชิงพาณิชย์ เช่น การเก็บน้ำดื่มจากอากาศในสภาพแวดล้อมที่แห้งแล้ง

©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

________

ที่มา: Nobel Prize in Chemistry 2025, www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/ The 2025 chemistry Nobel goes to MOFs, https://cen.acs.org/people/nobel-prize/The-2025-chemistry-Nobel-goes-to-MOFs/103/web/2025/10?