Nobelprijs Chemie voor uitvinding ‘microscopische sponsjes’

Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

Als MOF’s straks ook maar enkele van de vele verwachtingen waarmaken, zullen ze microscopische wereldwondertjes worden genoemd. Want hoe zou je kunstmatige, door de mens uitgevonden stoffen anders noemen die allerhande moleculen heel gericht kunnen absorberen, vasthouden en, indien gewenst, weer vrijgeven? En dat zonder daar veel energie voor nodig te hebben? Moleculen zoals het broeikasgas CO₂ bijvoorbeeld, uit fabrieksrook en uitlaatgassen of gewoon uit de lucht. Verbindingen zoals PFAS uit water. Of weer water uit de lucht.

MOF’s zijn nog het best te vergelijken met sponsjes, zij het dan microscopisch klein. Ze bestaan uit kristalstructuren van metaalionen en organische moleculen. Hun nut halen ze uit het feit dat ze enorm poreus, hol zijn: enkele gram van een MOF kan een totaal intern materiaaloppervlak bezitten zo groot als een voetbalveld. Dat betekent dus dat er in een MOF heel veel plaats is voor andere moleculen. En het handige is dat MOF’s voor specifieke moleculen kunnen ontworpen worden – voor CO₂, een specifieke PFAS, H₂O, noem maar op. De absorptie gaat bovendien vanzelf (al moeten de doelmoleculen wel langs komen vliegen) en voor het vrijgeven ervan is slechts een beperkte hoeveelheid energie nodig.

Vandaag zijn er vele duizenden soorten MOF’s, en ze hebben ook zusjes gekregen: COF’s (covalent organic frameworks). Daarbij zijn de metaalionen vervangen door organische moleculen. Maar dertig jaar geleden stond het onderzoek naar MOF’s nog in de kinderschoenen.

Water uit kurkdroge lucht

Het was toen dat het baanbrekende onderzoek werd uitgevoerd dat dit jaar bekroond wordt met de Nobelprijs Chemie. Voortbouwend op de ideeën van de Brit Richard Robson (88), maakten de tot Amerikaan genaturaliseerde Palestijn Omar Yaghi (60) en de Japanner Susumu Kitagawa (74) de eerste stabiele MOF’s. De laatste creëerde MOF’s die moleculen als methaan, stikstof- en zuurstofgas kunnen absorberen, vasthouden en weer vrijgeven. De MOF’s in kwestie zijn bovendien zacht en flexibel, waardoor ze kunnen worden toegepast in plooibare materialen.

Enkele jaren eerder, in 1995, had Yaghi echter al de eerste MOF’s gemaakt, waarbij hij de term ook had gemunt in een artikel in het vakblad Nature. Maar de echte doorbraak kwam er in 1999 met de creatie van ‘MOF-5’, een type dat uitzonderlijk stabiel en poreus is. Zo poreus dat het veel meer gas kan absorberen dan zeolieten, mineralen die bekendstaan om hun hoge porositeit en daarom als absorptiematerialen worden gebruikt (onder meer als kattenbakvulsel). Begin de jaren 2000 zette Yaghi de kroon op het werk door aan te tonen dat MOF’s doelbewust aangepast – gefinetuned – kunnen worden, naargelang de gewenste toepassingen.

Eén zo’n toepassing is water halen uit kurkdroge lucht. De onderzoeksgroep van Yaghi demonstreerde dat in de woestijn van Arizona. ’s Nachts absorbeerde hun MOF watermoleculen uit de lucht, en als de stof ’s ochtends door zonlicht werd verwarmd, druppelde het water in een collector. Een andere toepassing is de lucht ontdoen van CO₂. Ook daarvoor ontwikkelde de groep van Yaghi een specifieke COF (het zusje van de MOF). De stof ziet eruit als geel poeder, en als het in de buitenlicht wordt gehouden absorbeert het uit zichzelf het broeikasgas.

Momenteel wordt er hard gewerkt aan het opschalen van de productie en toepassingen van MOF’s en COF’s. Ze leveren ons dus nog geen kant-en-klare manier om bijvoorbeeld grote hoeveelheden water te oogsten in de woestijn of de klimaatopwarming aan te pakken. Maar potentie bezitten ze in ieder geval. De microscopische wereldwondertjes hebben alles in zich om uit te groeien tot, dixit het Nobelprijscomité, ‘de materialen van deze eeuw’.