Susumu Kitagawa, Richard Robson und Omar Yaghi erhalten den Nobelpreis für Chemie 2025 für die Entwicklung einer bahnbrechenden neuen Form der molekularen Architektur: den sogenannten metallorganischen Gerüsten (MOFs). In ihren Konstruktionen fungieren Metallionen als Eckpfeiler, die durch lange organische (kohlenstoffbasierte) Moleküle miteinander verbunden sind. Diese Komponenten bilden zusammen Kristalle mit großen Hohlräumen. Durch diese einzigartigen, porösen Materialien entstehen molekulare Konstruktionen mit großen Zwischenräumen, die Gase und andere Chemikalien passieren lassen.
Chemiker:innen können die in den MOFs verwendeten Bausteine gezielt variieren und sie so gestalten, dass sie bestimmte Funktionen erfüllen. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Materialien sind vielfältig: Sie können genutzt werden, um Wasser aus der Wüstenluft zu gewinnen, Kohlendioxid zu binden, giftige Gase sicher zu speichern oder chemische Reaktionen zu katalysieren. Zudem können MOFs auch Elektrizität leiten.
„Metallorganische Gerüste haben ein enormes Potenzial und eröffnen bisher ungeahnte Möglichkeiten für maßgeschneiderte Materialien mit neuen Funktionen“, sagt Heiner Linke, Vorsitzender des Nobelkomitees für Chemie.
Die Entwicklung der MOFs: Vom ersten Kristall zur revolutionären Architektur
Die Geschichte der metallorganischen Gerüste (MOFs) begann im Jahr 1989, als Richard Robson das Zusammenspiel von Atomen auf neuartige Weise nutzen wollte. Er kombinierte positiv geladene Kupferionen mit einem speziellen, vierarmigen Molekül. Jedes Ende dieses Moleküls trug eine chemische Gruppe, die stark von den Kupferionen angezogen wurde. Diese Bausteine verbanden sich zu einem gut geordneten, geräumigen Kristall, den man sich wie einen Diamanten voller Hohlräume vorstellen kann. Robson erkannte sofort das enorme Potenzial dieser molekularen Konstruktion, die allerdings noch instabil war und sich gleich zersetzte.
Das Fundament für diese Bauweise lieferten daraufhin Susumu Kitagawa und Omar Yaghi. Zwischen 1992 und 2003 machten sie unabhängig voneinander eine Reihe revolutionärer Entdeckungen. Kitagawa wies nach, dass Gase in diese Gerüste hinein- und herausströmen können, und sagte voraus, dass MOFs flexibel gestaltet werden könnten. Unabhängig davon schuf Yaghi ein besonders stabiles MOF und zeigte, dass diese Materialien durch rationales Design modifiziert werden können. Dadurch erhalten sie neue und wünschenswerte Eigenschaften.
Nach diesen bahnbrechenden Entdeckungen der Preisträger haben Chemiker:innen Zehntausende verschiedener MOFs synthetisiert. Einige dieser maßgeschneiderten Materialien könnten zur Bewältigung großer Herausforderungen beitragen. Das können Anwendungen sein wie die Entfernung von PFAS aus Wasser, der Abbau von Arzneimittelspuren in der Umwelt, die Abscheidung von Kohlendioxid oder die Gewinnung von Wasser aus trockener Wüstenluft.