Chemienobelpreis 2025: Eine neue chemische Architektur

Der Chemienobelpreis 2025 ehrt drei Wissenschaftler, die eine neue Form der Molekülarchitektur entwickelt haben, die sich durch große Hohlräume auszeichnen. Diese Moleküle können wichtige Substanzen, von Kohlendioxid bis hin zu Arzneimitteln, einkapseln und ermöglichen so eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen in der Praxis.

Susumu Kitagawa, Richard Robson und Omar M. Yaghi wurden „für die Entwicklung metallorganischer Gerüste“ mit dem Chemienobelpreis 2025 ausgezeichnet. Klingt etwas trocken? Tatsächlich sind diese porösen Materialien jedoch unglaublich nützlich und vielseitig einsetzbar. Auf der Grundlage der Arbeit der Preisträger haben Chemiker inzwischen Zehntausende von metallorganischen Gerüsten (MOFs) konstruiert, die alles Mögliche leisten, von der Abscheidung von Kohlendioxid über die Verabreichung von Arzneimitteln im Körper bis hin zur Bereitstellung von Raum für Enzyme, die Antibiotika in der Umwelt abbauen.

Die Vorteile von MOFs

Die charakteristischen Merkmale von MOFs sind ihre extrem hohe Porosität – bis zu 90 % dieser Materialien bestehen aus freiem Volumen – und ihre riesigen inneren Oberflächen. Dadurch eignen sie sich hervorragend zur Speicherung von Gasen wie Wasserstoff und Methan. Die Fähigkeit von MOFs, Komponenten aus komplexen Gemischen zu isolieren, ist für die Produktion von sauberem Wasser und die Herstellung von Medikamenten äußerst nützlich. Aufgrund der Stärke der Bindungen sind MOFs auch thermisch extrem stabil – bis zu Temperaturen von 500 °C. Wie sind MOFs aufgebaut und was bestimmt ihre bemerkenswerten Eigenschaften?

Wie es der Name andeutet, werden MOFs durch die Verbindung von Metallionen oder -clustern wie Zink oder Kupfer mit organischen Molekülen hergestellt. Ihre chemische Beschaffenheit wird durch die sehr starken chemischen Bindungen zwischen den Metallen und den organischen Verbindungsgliedern bestimmt, die unter anderem die Form von Metall-Sauerstoff, Metall-Stickstoff oder Metall-Schwefel-Bindungen annehmen können. Die Eigenschaften von MOFs werden durch die verwendeten Metallionen und organischen Linker sowie durch die Herstellungsbedingungen charakterisiert. Durch die Möglichkeit, diese Parameter anzupassen, können Chemiker/innen die Größe und Form der Poren innerhalb des MOFs steuern und so eine Vielzahl unterschiedlicher MOFs für verschiedene Anwendungen herstellen.

Die MOF-Story

Die Geschichte der MOFs begann mit dem Australier Richard Robson, der in den 1970er Jahren damit beauftragt wurde, für Chemie-Studenten kristalline Modelle von Molekülen aus Kugeln und Stäben zu bauen. Dabei fiel ihm auf, dass die von ihm gebauten Kristallstrukturen davon beeinflusst wurden, wo sich die Löcher in den Kugeln (die die Atome darstellten) befanden. Er fragte sich, welche Strukturen er erhalten würde, wenn er statt Atomen Moleküle verwenden würde. Erst Ende der 1980er Jahre testete Robson diese Idee, indem er ein Molekül mit einer Diamantstruktur herstellte, während er anstelle des in Diamanten vorkommenden Kohlenstoffs Kupferionen und Moleküle verwendete, die von diesen Kupferionen angezogen wurden. Im Gegensatz zu den hochkompakten Diamanten wies das von ihm hergestellte Molekül riesige innere Hohlräume auf. Obwohl sie instabil blieben, erkannte Robson sofort, dass die Strukturen, deren Synthese ihm gelungen war, ein enormes Potenzial hatten.

Susumu Kitagawa aus Japan hatte schon seit langem Interesse an porösen Molekülstrukturen, wurde jedoch bei seinen Bemühungen durch die Instabilität seiner Strukturen behindert. Im Jahr 1997 gelang es ihm jedoch, ein dreidimensionales MOF herzustellen, das stabil war und Gase in seinen Poren aufnehmen konnte. Sein weiterer wichtiger Beitrag war die Erkenntnis, dass MOFs im Gegensatz zu ähnlichen hohlraumhaltigen Molekülen, den sogenannten Zeolithen, weiche Materialien bilden können. Diese chemische Flexibilität bedeutet auch, dass MOFs funktional sehr anpassungsfähig und effizienter als starre Materialien sind.

Der Durchbruch und mögliche Anwendungen

In den frühen 1990er Jahren versuchte der in Jordanien geborene Yaghi in den USA, große Kristalle rational zu entwerfen und zu synthetisieren. Dies war ein schwieriger Prozess, aber ihm und seinem Team gelang schließlich ein Durchbruch, als sie Metallionen und organische Moleküle verwendeten. Die daraus resultierenden Strukturen konnten andere Moleküle in ihren Hohlräumen aufnehmen und waren thermisch extrem stabil. Als Yaghi diese Materialien 1995 beschrieb, prägte er als Erster den Begriff „metallorganisches Gerüst“. Seitdem hat er MOF-5 entwickelt, ein MOF mit außergewöhnlich großer innerer Oberfläche, und gezeigt, wie MOFs rational modifiziert werden können, um ihre Eigenschaften zu verändern.

Genau diese Vielseitigkeit liegt der explosionsartigen Zunahme der Verwendung von MOFs in allen Bereichen zugrunde – von der Kohlenstoffabscheidung über die Arzneimittelabgabe bis hin zur Energiespeicherung. Was wird die Zukunft bringen? Expert/innen sind der Meinung, dass nanoskalige MOFs eine große Rolle bei der Verwirklichung der personalisierten Medizin spielen könnten. Sie prognostizieren, dass künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen den Fortschritt auf dem Gebiet der MOFs noch weiter beschleunigen könnten.