top of page
Ara

NOBEL KİMYA ÖDÜLÜ: DÜNYAYI DEĞİŞTİREBİLECEK MALZEMELER



Nobel Kimya Ödülü , İsveçli mucit ve sanayici Alfred Bernhard Nobel'in vasiyeti üzerine, kimya alanında "bir önceki yıl insanlığa en büyük faydayı sağlayanlara" verilir. Ödül, Stockholm'deki İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi tarafından verilir. “Söz konusu pay beş eşit parçaya bölünecek ve aşağıdaki şekilde paylaştırılacaktır: /- – -/ bir kısmı en önemli kimyasal keşfi veya iyileştirmeyi yapan kişiye…” (Alfred Nobel’in vasiyetinden alıntı.) 


2025 NOBEL KİMYA ÖDÜLÜ:DÜNYAYI DEĞİŞTİREBİLECEK MALZEMELER


İsveç Kraliyet Bilim Akademisi’nin açıklamasında ödülün 2025 yılı sahipleri Susumu Kitagawa, Richard Robson ve Omar M. Yaghi oldu. Türkçeye metal–organik iskelet, metal–organik kafesli yapı ya da metal–organik çerçeve olarak çevrilen bu malzemelere İngilizce’de “metal–organic framework” (MOF) deniyor. MOF’ları legolara benzetebiliriz. Lego yaparken hangi parçaları bir araya getirdiğimizde ne oluşturabileceğimize dair bir fikrimiz olur. Kimyagerler de belli metal iyonlarıyla belli organik bağlayıcı molekülleri bir araya getirdiklerinde MOF diye adlandırdığımız bu kafesli gözenekli yapıları oluşturabiliyorlar. Richard Robson 1980’lerin sonlarında elmasın düzenli kristal yapısından ilham alarak MOF yapılarının temelini attı. Elmasta her bir karbon atomu dört komşusuna bağlanarak küçük piramitler oluşturur. Robson, bu düzeni taklit ederek benzer bir yapı kurmak istedi. Ancak kendi modelinde karbon yerine pozitif yüklü bakır iyonları ve dört bağlanma noktasına sahip moleküller kullandı. Robson’ın öngördüğü gibi iyonlar ve moleküller kendiliğinden düzenli bir kristal yapı oluşturdu. Ancak bu yapı, kompakt yapıdaki yani atomların birbirine çok yakın düzenlendiği, aralarında neredeyse hiç boşluğun olmadığı elmasın aksine içinde çok sayıda büyük gözenek barındırıyordu. Başlangıçta birçok kimyager bu yapıları “dayanıksız” bulup çalışmaları umutsuz görse de Robson’ın fikirleri geleceğin malzeme bilimine yön verecek ilk kıvılcımlardı. Onun bu öngörüsü, yıllar sonra Kitagawa ve Yaghi’nin çığır açan buluşlarının zeminini hazırlayacaktı.


MOF NEDİR?

Kimyagerler de belli metal iyonlarıyla belli organik bağlayıcı molekülleri bir araya getirdiklerinde MOF diye adlandırdığımız bu kafesli gözenekli yapıları oluşturdular. 1990’ların başlarında Susumu Kitagawa, gözenekli moleküler yapılar inşa etmeye odaklandı. Ancak ilk çalışmalarına destek bulmakta zorlandı; çünkü geliştirdiği malzemeler kırılgandı ve belirli bir kullanım alanı yoktu. Fon başvuruları reddedildikçe Kitagawa’nın aklındaki soru daha da netleşti: MOF’ları diğer malzemelerden farklı kılan şey neydi? Kitigawa’ya göre MOF’ların benzersizliği, çok çeşitli moleküllerden üretilebilmeleri ve esnek yapıları sayesinde farklı işlevlere uyum sağlayabilmeleriydi. Bu fikirle yola çıkan Kitagawa, esnek yapıda MOF’lar geliştirmeyi başardı. 1999’da Yaghi’nin araştırma grubunun sentezlediğini duyurduğu MOF, alanda bir klasik olarak biliniyor. Bu malzemenin yüzey alanının bilinen bütün gözenekli kristal malzemelerden daha yüksek olduğu, öz kütlesinin yine bilinen bütün kristal malzemelerden çok daha düşük olduğu, bu inanılmaz gözenekli yapının gözeneklerinde çeşitli konuk moleküllerin tutulabileceği ve son derece kararlı olduğu gösterilmişti.


Özelliklerini biraz daha anlamaya çalışırsak bir gramında 10 bin -20 bin metrekare bir yüzey alanından bahsediyoruz. Bunlar da tuz gibi kristal ve katı malzemeler, fakat gözenekli yapısı sayesinde bir gram MOF’un yüzey alanı birkaç futbol sahası alanı kadar olabiliyor. Tabii gözenekler de nano boyutta, yani bir saç telinin milyarda biri, trilyonda biri gibi bir gözenek boyutundan bahsediyoruz. Bu gözenekler sayesinde içinde konuk molekülleri, örneğin bir gaz molekülünü tutabiliyorlar. Daha sonraki araştırmalarında, moleküller arasındaki bağlantıları değiştirerek MOF’lara farklı özellikler kazandırmanın mümkün olduğunu gösterdi. Böylece yalnızca birkaç değil, binlerce farklı MOF türü üretilebileceğini kanıtladı. Yaghi’nin sistematik yaklaşımı, MOF kimyasını bir keşif alanı olmaktan çıkarıp tasarlanabilir bir bilim dalına dönüştürdü. Ama bu malzemelerin ünlü olmasının nedeni sadece bu yüksek yüzey alanı ya da gözeneklerinde gaz tutmasıyla ilgili değil, sınırsız bir potansiyeli olması.


MOFLARIN SINIRSIZ POTANSİYELİ

Kimyagerlerin lego mantığını çözüp arka arkaya çok fazla metal organik yapı sentezlemesiyle bu potansiyel fark ediliyor, bu da alanın çok hızlı ilerlemesine yol açıyor. Elimizde birtakım lego parçaları olduğunda çok farklı şeyler yapabiliriz. Örneğin uçak, araba, ev yapabiliriz. O parçaları farklı kombinasyonlarda bir araya getirdiğimizde aslında sonsuz sayıda olasılık var, yeni malzeme yapabilmek için. Bu kadar çok malzemenin olması öncelikli olarak kimya, kimya mühendisliği, malzeme bilimi için sonrasında bütün diğer mühendislik alanları için çok ilgi çekici.


Daha önce bildiğimiz polimerlerde bu çeşitlilik yoktu. Orada sayılar sınırlıydı yani malzeme dünyamız sınırlıydı. Şu an sınırsız bir malzeme dünyamız var. Üstelik 2010’lu yıllarda belli bir uygulamaya özgü malzeme yapma becerisini de kazandık. Yani artık istenilen her uygulama için yeni bir MOF yapılabilme şansımız var. Bu da bizi şu noktaya getirdi: Gaz tutmak istiyorsan ona uygun bir MOF yaparsın. Su temizlemek istiyorsan ona uygun, ilaç depolayacaksan ona uygun bir MOF yaparsın. Yani uygulamaya özgün malzeme üretme gibi bir kapı açıldı. Hakikaten de bilinen tüm malzemelerin yerini alabilecek değişik özelliklere sahip çok ilginç bir malzeme ailesi var elimizde. MOF’lar 2019’a gelindiğinde dünya değiştirebilecek malzemeler listesine girmeyi başarmıştı.

MOFLARIN İŞLEVLERİ


MOF’ların “organik” niteliği, malzeme ailesinin sunduğu çeşitlilik, çevresel kaygılarla performans hedeflerini aynı anda gözetebilmemize imkân veren büyük bir avantaj. MOF'ların konuk molekülleri tutucu özelliğinden başlayalım. Sürekli konuştuğumuz iklim değişikliği, küresel ısınma gibi sorunlara neden olan gazlardan biri karbondioksit ve insanlar dünya üzerinde var olduğu sürece karbondioksit salımı ve küresel ısınmaya olumsuz katkısı devam edecek. Bununla mücadele etmek için yapılabilecek şeylerden birisi de bu havadaki karbondioksiti yakalamak. Karbondioksit salımını azaltarak küresel ısınmanın yavaşlamasını sağlayabiliriz.


Karbon yakalama üzerine birçok teknoloji üzerine çalışılıyor. Bu teknolojilerden belki de en önemlisi karbondioksiti oluştuğu yerde yakalamayı hedefliyor. Bunu bir filtre gibi düşünebilirsiniz. MOF'ların böyle bir işlevi olabilir, MOF’u bir bacanın kenarına getirdiğinizde çıkan karbondioksiti tutması mümkün. Kimyasal olarak zayıf fiziksel etkileşimler adını verdiğimiz, tamamen tersinir (reversible) olan yani gerçekleştikten sonra geri alabileceğimiz bir işlem bu. Gözenekli malzememiz sünger gibi o gazı içine alıyor. Siz gözenekleri boşaltmak istediğinizde de basınç ve sıcaklıkla oynayarak boşaltıp o malzemeyi tekrar tekrar kullanabiliyorsunuz. Bu özelliği yalnız istemediğimiz gazları tutmak için değil, istediğimiz gazları depolamak için de kullanmak mümkün. Örneğin metanın ve hidrojenin depolanması bizim için çok önemli. Çünkü temiz enerji, yeşil enerji uygulamaları için doğalgazdan (yani metandan) ve önemli bir enerji taşıyıcısı olan hidrojenden faydalanmamız lazım. Ama hidrojeni kullanabilmemiz için onu bir yerde depolayabilmemiz lazım. Yine MOF’lar burada bu gazları depolamak için çok önemli bir platform sunuyor. Konuk molekülün hep gaz olması da gerekmiyor. 2020’de yayınlanan bir çalışmada çöle götürülen MOF’un havadaki su buharını yakaladığı gösterildi. Sonra o su buharını sıvı olarak yani su olarak alıp kullanabilmek mümkün. Düşünün ki nemli havadan temiz içme suyu elde edebiliyorsunuz.


NOBEL KİMYA ÖDÜLÜ: HER YERİ MOFLARLA KAPLAMAK İÇİN NEDEN BEKLİYORUZ?

Küçük ölçekte bunları üretmek nispeten pratik. Bugün yüzbinlerce MOF’u laboratuvar ortamında birkaç gram üretebiliyoruz. Fakat egzozlara, bacalara eklemeye başlamak için öncelikle bu malzemelerin tonlar mertebesinde üretilmeye geçmesi gerekiyor. MOFları da birkaç gram üretmekle birkaç ton üretmek arasında fark var. Bugün büyük ölçekte üretebilmeye doğru yani endüstrileşmeye doğru epey bir çalışma var. Bir başka konu da MOF'ların bazılarının havada bulunan bazı moleküllerden etkilenip bozulması ve gözenekli yapılarını kaybetmeleri, kristal özelliklerini kaybetmeleri.


KAPANIŞ


Bugün binlerce farklı MOF malzemesi enerji, çevre ve sağlık alanlarında test ediliyor. Bu malzemelerin sahip olduğu potansiyelin farkında olan birçok şirket, seri üretim ve malzemelerin ticarileştirilmesi için yatırımlar yapıyor. Yarı iletken üretiminde zararlı gazları yakalamak, elektrik santrallerinde karbondioksit salımını azaltmak ya da içme suyundan kirletici kimyasalları temizlemek gibi birçok uygulama artık mümkün hâle geliyor. Bu yılın Nobel Kimya Ödülü sahipleri, yalnızca yeni bir malzeme sınıfı geliştirmedi, aynı zamanda kimyanın ve bir ölçüde dünyamızın geleceğini şekillendirecek yepyeni ufuklar açtılar.


Yazar: Sorgül Zirek


KAYNAKÇA


Yorumlar

bottom of page