Een huwelijk tussen de twee klassieke takken van de scheikunde – de ooit strikt gescheiden organische en anorganische chemie – wordt na ruim veertig jaar gevierd met een Nobelprijs. Woensdag wonnen Susumu Kitagawa, Richard Robson en Omar M. Yaghi de Nobelprijs voor Scheikunde voor de ontwikkeling van „een nieuw soort moleculaire architectuur”: metaal-organische raamwerken.

Deze metal-organic frameworks (MOF’s) combineren de enorme veelzijdigheid van de organische chemie – ouderwetse knip-en-plakscheikunde waarbij koolstof centraal staat – met de bijzondere eigenschappen van de anorganische chemie – de scheikunde van metalen. Het Nobelcomité ziet in MOF’s een „enorme potentie om op maat gemaakte materialen te maken, met nieuwe functies”, zegt voorzitter van het Nobelcomité Heiner Linke bij de bekendmaking.

De metaal-organische raamwerken bestaan, zoals de naam doet vermoeden, uit metaalatomen die met elkaar zijn verbonden door organische moleculen. Zet de juiste bouwblokken in een oplossing bij elkaar en vanzelf ontstaan driedimensionale, hoekige moleculaire structuren. Hierin zitten grote ruimtes waar andere moleculen in kunnen stromen, eventueel gevangen blijven en gecontroleerd weer uit verdwijnen.

Daardoor kan een MOF werken als een moleculaire spons. Bijzonder is ook de grote oppervlakte die in die spons verscholen zit: het MOF type 5, dat Yaghi presenteerde in 1999, heeft het formaat van een suikerklontje en een interne oppervlakte van een voetbalveld. „Toen we halverwege de jaren negentig de eerste resultaten publiceerden, dachten onze vakgenoten dat er een drukfout in het artikel stond”, zei Yaghi dit jaar tegen de Volkskrant. Een structuur van miljarden gaatjes zit erin, een soort „parkeerplaats voor watermoleculen”.

Zo kunnen de raamwerken stoffen die normaal gesproken ongrijpbaar zijn, toch gevangenzetten. In 2023 lukte het studenten van Yaghi om met ‘MOF-303’ water uit de woestijnlucht te trekken. En wel een van de droogste ter wereld: Death Valley in de Verenigde Staten. Ze publiceerden in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Water.

Hetzelfde is bijvoorbeeld mogelijk met PFAS, de groep van duizenden verschillende stoffen die een grote vervuiling in het milieu vormen. Ze zitten overal.

De naam van Yaghi zong de afgelopen jaren al rond

Bert Weckhuysen
hoogleraar

Bert Weckhuysen, hoogleraar anorganische chemie aan de Universiteit Utrecht, zit toevallig in de trein naar een conferentie in Brussel waar Yaghi donderdagochtend zal spreken. „Deze prijs had ik verwacht”, zegt hij, „de naam van Yaghi zong de afgelopen jaren al rond. Het was eerder de vraag welke personen de prijs samen zouden ontvangen. Ik denk dat het Nobelcomité de juiste keuze heeft gemaakt, omdat ook ouder werk erin betrokken is.”

Dat oudere werk is dat van Richard Robson, die het concept van het MOF in 1989 bedacht. Hij was geïnspireerd door de kristalstructuur van diamanten, die bestaan uit een regelmatig rooster van koolstofatomen in een piramidevorm. Hij dacht dat er iets vergelijkbaars mogelijk moest zijn op basis van metaalionen en organische moleculen. Maar waar in diamant de koolstofatomen dicht op elkaar zitten, is het raster van de MOF’s juist enorm ruim opgezet. De holtes in het raster zijn zo groot dat andere moleculen er makkelijk tussen passen – om een chemische reactie aan te gaan bijvoorbeeld.

Robsons raamwerken waren nog wel instabiel, veel chemici vonden ze daarom lang „nutteloos”. Susumu Kitagawa lukte het in de jaren 1990 om stabiele MOF’s te maken, en zelfs om de structuren flexibel te maken waardoor ze hun sponsachtige werking kregen. Gassen kunnen in en uit de structuren stromen. .

Yaghi ontwikkelde vervolgens het concept van een niche tot een volwassen en volwaardig vakgebied binnen de chemie. Afhankelijk van het ontwerp van de organische stoffen in het raster, zijn de mogelijkheden van MOF’s eindeloos. Hij maakte verschillende varianten van nog stabielere MOF’s, waarmee de belofte van het vakgebied voor iedereen duidelijk werd. Inmiddels zijn er al meer dan 90.000 verschillende MOF’s gemaakt.

‘Langdurig buffelen’

„Ik denk dat Yaghi heel blij is”, zegt Weckhuysen, die hem kent, „omdat hij in het begin veel tegenstand heeft gehad. Vanaf de eerste gedachtegang is het langdurig buffelen geweest, en nu zijn er een soort roosters die ademen. Je kunt naar toepassing, dat is fantastisch.”

Zijn MOF’s nog vooral een veelzijdig en interessant scheikundig speeltje met veelbelovende toepassingen, of zijn ze al niet meer weg te denken? Een beetje van allebei: MOF’s zijn nog erg duur waardoor grootschalig gebruik lastig is. Toch is het opschalen begonnen en zijn er toepassingen te over, zoals CO2-afvangst of een PFAS-opruimmiddel. Volgens de site Global Market Insights was de markt in 2024 al 9,8 miljard dollar waard, en kan die over tien jaar drie keer zo groot zijn.

„MOF’s zijn de mooiste verbindingen ooit gemaakt”, schreef Yaghi in een opiniebijdrage in 2019 op de site Chemistry World. „Hun structuren zijn complex en de diversiteit aan structurele patronen en connectiviteit vind ik fascinerend. Ik kijk graag naar moleculaire structuren en het periodiek systeem, en hoe dat zich vertaalt in verbindingen, reacties, materialen en nieuwe chemie.”

Met medewerking van Niki Korteweg en Gemma Venhuizen.

Hekel aan autorijden

Zoom in

Susumu Kitagawa (1951, Kyoto, Japan) was al vroeg in zijn loopbaan enthousiast over metaal-organische structuren, maar anderen zagen ze als nutteloos.

Op conferenties kwamen er zelfs bij het ontbijt mensen naar hem toe om commentaar te leveren op zijn werk. Pas na zijn vijftigste sleepte hij subsidies binnen en publiceerde hij in wetenschappelijke toptijdschriften.

Naar zijn werk aan de universiteit van Kyoto reist hij per trein, zodat hij wetenschappelijke manuscripten kan lezen – autorijden vindt hij tijdverspilling. Hij houdt van detectiveromans en goede wijn – tijdens borrels moedigt hij zijn medewerkers aan om te oefenen met spreken in het openbaar.

Houten modellen

Zoom in

Richard Robson (1937, Glusburn, Verenigd Koninkrijk) studeerde organische chemie aan de universiteit van Oxford en vertrok daarna naar de Verenigde Staten om onderzoek te doen bij de prestigieuze universiteiten Caltech en Stanford.

Toen hij dreigde te worden uitgezonden naar de Vietnamoorlog, besloot hij een baan te accepteren aan de universiteit van Melbourne in Australië, waaraan hij nog altijd verbonden is. Toen hij voor de colleges aan eerstejaarsstudenten houten kristalmodellen moest bouwen, kreeg hij de ingeving om zélf kristallen te ontwerpen van metalen en organische verbindingen.

Nieuw tijdperk

Zoom in

Omar Mwannes Yaghi (1965, Amman, Jordanië) groeide op met waterschaarste. Zijn ouders waren Palestijnse vluchtelingen, het twaalfkoppige gezin had eens per twee weken toegang tot water. Als 15-jarige verhuisde hij naar de VS. Sinds 2012 is hij hoogleraar chemie aan de Universiteit van Californië in Berkeley.

Met zijn zelfontworpen MOF’s kan hij onder meer drinkwater uit de lucht vangen. De mensheid is volgens Yaghi, na de brons-, de ijzer- en de steentijd, aanbeland in de „MOF-tijd”.

Ook via het door hem opgerichte Berkeley Global Science Institute bouwt hij een raamwerk, van internationaal samenwerkende instituten en industrie.

Geef cadeau

Deel

Mail de redactie

NIEUW: Geef dit artikel cadeau
Als NRC-abonnee kun je elke maand 10 artikelen cadeau geven aan iemand zonder NRC-abonnement. De ontvanger kan het artikel direct lezen, zonder betaalmuur.