Descoperirea polimerilor ordonați cu metale: o revoluție în chimie premiată cu Nobel

Polimerii care ne înconjoară sunt, în mare parte, o încurcătură dezordonată, cu lanțuri lungi de atomi încâlcite unul în jurul celuilalt. Totuși, începând cu anul 1990, chimistii au început să dezvolte tehnici care ne permit să construim polimeri cu structuri precis definite. Acești polimeri, numiți cadre metalo-organice (MOF-uri, de la Metal-Organic Frameworks), se disting prin proprietăți chimice unice: pori mari ce pot fi folosiți pentru filtrarea sau stocarea gazelor, centre catalitice integrate în polimer și multe altele.

Miercuri, Comitetul Premiului Nobel a onorat trei cercetători pentru rolul lor în dezvoltarea MOF-urilor: Richard Robson pentru demonstrarea primului MOF, și Susumu Kitagawa și Omar Yaghi pentru dezvoltarea lor la întregul lor potențial.

Majoritatea polimerilor sunt construiți din molecule individuale legate între ele prin legături flexibile, ceea ce le permite moleculelor să se miște liber. Ca rezultat, în forma lor finală, ca de exemplu o pungă de plastic sau un cauciuc de bicicletă, polimerii sunt un amestec complicat, cu molecule împletite între ele într-o ordine aleatorie. Putem totuși controla unele aspecte ale polimerului rezultat manipulând proprietățile sale de ansamblu sau schimbând moleculele din care este construit, dar nu există multă chimie pe care o putem face dincolo de aceasta.

Cu MOF-urile, partea metalică ne permite să controlăm geometria modului în care sunt legate moleculele. Metalele acționează un pic ca niște hub-uri, cu molecule organice rigide extinzându-se în mai multe direcții. Datorită naturii orbitalelor lor, metalele pot forma legături cu un număr specific de molecule organice, iar fiecare dintre aceste legături are unghiuri stabilite față de toate celelalte legături. Astfel, alegând cu grijă un metal, este posibil să creăm structuri tridimensionale specifice, cu metale și molecule organice alternând între ele.

Spre deosebire de polimerii tradiționali, această structură permite MOF-urilor să aibă spații interne deschise cu dimensiuni bine definite, ceea ce poate permite unor molecule să treacă prin ele în timp ce filtrează altele. În plus, prezența metalelor oferă posibilități interesante de chimie. Metalele pot servi ca catalizatori sau pot lega preferențial o moleculă dintr-un amestec.

Știind ce știm acum, pare destul de evident că aceasta ar funcționa. Dar când Robson a început lucrul său la Universitatea din Melbourne, puținii oameni care se gândeau la problema respectivă se așteptau ca moleculele pe care le construia să fie instabile și să se prăbușească.

Primul MOF construit de Robson a utilizat cupru ca metal ales. Acesta a fost legat de o moleculă organică care și-a păstrat structura rigidă prin prezența unui inel de benzen, care nu se îndoaie. Atât molecula organică cât și cuprul puteau forma patru legături diferite, permițând structurii să crească prin echivalentul aproximativ al stivuirii unui număr de piramide trilaterale – o alegere conștientă făcută de Robson.

În acest caz, totuși, cavitățile interne au rămas umplute de solventul în care a fost format MOF-ul. Dar solventul putea să se miște liber prin material. Totuși, bazele

Știință&Tehnică

Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România