Bedenkers van spons voor moleculen krijgen Nobelprijs

De Nobelprijs voor de scheikunde gaat naar de bedenkers van een soort spons voor moleculen. Met hun metaal-organische materialen kun je zelfs water uit de woestijnlucht plukken. Richard Robson, Susumu Kitagawa en Omar Yaghi  stonden aan de basis van metaal-organische roosters (metal-organic frameworks – MOF’s) met holtes waarin je precies één molecuul kunt vangen.

Bollen met gaten

De Australische Robson maakte in de jaren zeventig houten atoommodellen (bollen met stokjes en gaten) waarmee je moleculen kunt namaken. Al puzzelend ontstond er zo een moleculair raamwerk. Eind jaren tachtig liet hij zien dat je in de holtes atomen kunt vangen.

Misschien wel een verrassende winnaar. Monique van der Veen (Chemical Engineering): “Richard Robson was bij veel mensen in het veld compleet onbekend. Zijn pionierswerk was door iedereen vergeten. Op het internationaal MOF congres in Nieuw Zeeland in 2018 werd Robson in het zonnetje gezet en kon hij vertellen over zijn baanbrekende ontdekkingen in 1989 en 1990. Hij probeerde zouten en organische moleculen met een specifieke geometrie samen in roosters met ‘ruimte’ ertussen te vangen, dan krijg je poriën. Bijna niemand geloofde dat het zou lukken een kristallijne vorm te maken. Maar Robson is er in geslaagd. Het is een heel bescheiden man. Ik betwijfel of als dat congres er niet was geweest, het zo gelopen was bij de Nobelprijs-uitreiking.”

Van der Veen is beter bekend met het werk van de andere twee winnaars. “Kitagawa en Yaghi waren de eersten die later in de jaren 90 zulken structuren synthetiseerden, waarbij de structuur intact bleef als je ook de vloeistof uit de poriën kon verwijderen. Dat lukte nog niet met de structuren van Robson.”

“Kitagawa heeft veel gespeeld met de flexibiliteit van MOF’s. Denk aan zo’n wijnrekje dat je in kunt klappen, hij heeft heel vroeg ingezien hoe die flexibiliteit in elkaar zit en welke mogelijkheden dat biedt. Ik werk daar nu zelf ook aan. Het organische deel van het molecuul kan vaak bewegen. Als die organische moleculen in het rooster dicht bij elkaar liggen, en elkaar kunnen raken, beïnvloeden ze elkaar. Een beetje zoals mensen in een massa meebewegen. Ik onderzoek hoe dit precies werkt.”

Verschillende metal-organic frameworks (MOF’s) hebben verschillende holtes en dus ook verschillende toepassingen. Ze kunnen bijvoorbeeld CO2 of bepaalde gifgassen uit de lucht plukken, zo toonde Omar Yaghi aan. “Het is mogelijk maar wel lastig om CO2 uit de lucht halen met een MOF, omdat water in de weg gaat zitten”, legt Van der Veen uit. “Ik probeer MOF’s te produceren die geen last hebben van water.”

Een ander in het oog springend voorbeeld is dat Yaghi met MOF’s water uit droge woestijnlucht kan halen. Van der Veen: “Dat lukt, maar wel met beperkte productie: je hebt vijf liter opbrengst per kilo materiaal per dag. Ik wil het transsport door de poriën verbeteren, zodat het water sneller door kan stromen voor hogere opbrengst.”

Volgens het Nobelprijscomité staan we aan de vooravond van een doorbraak en steken bedrijven veel geld in de ontwikkeling van deze moleculaire roosters.

Kaartenhuis

Fokko Mulder (Chemical engineering) werkte in het verleden veel aan MOF’s en reageert ook enthousiast op de toekenning. “Het zijn heel poreuze materialen waar je als een kaartenhuis structuren mee kunt maken. Heel interessant. Wij hebben gewerkt aan aanpassingen om bepaalde MOF’s meer waterresistent te maken, anders vallen ze in de buitenlucht uit elkaar. En we onderzochten of ze geschikt waren voor de opslag van waterstof. Dat blijkt mogelijk maar is niet zo gebruiksvriendelijk. We zijn toch in een andere richting verdergegaan. Maar desalniettemin fascinerende materialen, die veel ander onderzoek hebben losgemaakt en waar nog steeds volop aan gewerkt wordt.”

Kortom, zeer terechte winnaars,  vindt ook Monique van der Veen. Ze maakt wel een kanttekening: “Als Gérard Férey nog leefde had hij er misschien ook bij gestaan. Hij heeft in de jaren 2000 een heel grote sprong gemaakt in de stabiliteit MOF-materialen, en heeft veel betekend voor het veld. Door hem heeft het onderzoek een enorme stap voorwaarts gemaakt.”

HOP, Bas Belleman / Delta, Edda Heinsman