รางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี 2025 มอบให้แก่ผลงานการพัฒนาโครงข่ายโลหะอินทรีย์ หรือ Metal-organic frameworks (MOFs) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างพิเศษสำหรับนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลายรูปแบบ โดยนักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับรางวัลในปีนี้มี 3 คน ได้แก่ ซุซุมุ คิตากาวะ (Susumu Kitagawa) ริชาร์ด ร็อบสัน (Richard Robson) และโอมาร์ ยากิ (Omar Yaghi)
นักวิทยาศาสตร์กลุ่มนี้ทำงานวิจัยแยกกัน แต่สิ่งที่เหมือนกันคือพวกเขาทำหน้าที่เป็นสถาปนิกออกแบบโครงสร้างภายในโมเลกุลทางเคมีที่คล้ายผลึกเพชร ที่เป็นคาร์บอนต่อกันจำนวนมาก ต่างกันตรงที่ส่วนประกอบมีโลหะเข้าไปผสมอยู่ตามมุมโครงสร้างด้วย และจุดเด่นของโครงสร้างนี้ไม่ใช่ความแข็งแบบเพชร แต่เป็น ‘ความว่าง’ ของโพรงที่เกิดขึ้นภายในโครงสร้าง ซึ่งสามารถประยุกต์ใช้ในการดักจับสารที่ต้องการได้
ตัวอย่างการประยุกต์ใช้โพรงภายในโครงสร้าง MOF ในการดักจับสารต่างๆ เช่น สารเคมีตลอดกาลอย่าง PFAS ที่สามารถสะสมจนเกิดผลเสียในร่างกายมนุษย์ได้ นักวิทยาศาสตร์สามารถดักจับเพื่อแยก PFAS ที่ปนเปื้อนในแหล่งน้ำได้ หรือการดักจับน้ำกลางทะเลทรายจากในอากาศก็สามารถทำได้จริงแล้วด้วยโครงสร้างนี้เช่นกัน
MOF จึงเป็นหนึ่งในสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์หลายคนมองว่าเป็น ‘วัสดุแห่งอนาคต’ ซึ่งจุดเริ่มต้นการค้นพบ และผลักดันให้งานวิจัยโครงสร้างชนิดนี้โดดเด่นเป็นที่ประจักษ์ เกิดจากความพยายามของนักวิทยาศาสตร์เจ้าของรางวัลโนเบลสาขาเคมีทั้ง 3 คนในปีนี้ และในบทความนี้จะเล่าถึงสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์กลุ่มนี้ทำ
MOF เป็นโครงสร้างโมเลกุลทางเคมีที่เชื่อมต่อกันเป็นคริสตัลโดยมีโพรงขนาดใหญ่อยู่ภายในโครงสร้าง
ภาพ: https://www.ossila.com/pages/what-are-metal-organic-frameworks
จุดเริ่มต้นของ MOF
ริชาร์ด ร็อบสัน เป็นคนแรกที่จุดประกายการทดลองสร้างโมเลกุลที่มีโครงสร้างซับซ้อนนี้ขึ้น โดยเขาให้ความสำคัญกับแนวคิดการออกแบบอย่างมีหลักการ (Rational Design) สามารถสร้างสิ่งใหม่ที่มีคุณค่าขึ้นมาได้ เนื่องจากส่วนใหญ่ในการสร้างสารเคมีหรือโมเลกุลชนิดใหม่มักเกิดจากการรวมสารเคมีหนึ่ง เข้ากับอีกสารเคมีหนึ่ง ซึ่งอาจเกิดการรวมตัวกันของโมเลกุลอย่างสุ่ม และอธิบายได้ยาก เขาจึงเริ่มต้นจากการออกแบบ
โครงสร้างที่ร็อบสันสร้างขึ้นเกิดจากการใช้คุณสมบัติการมีพันธะได้ 4 แขนของคาร์บอนมารวมกับไอออนของโลหะ โดยครั้งแรกเขาเริ่มจากการผสมทองแดงจนเกิดเป็นโครงสร้างโมเลกุลที่มีโพรงขนาดใหญ่ตรงกลาง ถัดจากนั้นร็อบสันยังคงทดลองสลับชนิดไอออนโลหะเพื่อศึกษาโครงสร้างดังกล่าวอีกหลายครั้ง
การเชื่อมต่อโครงสร้างระหว่างคาร์บอนและไอออนของทองแดงเพื่อให้เป็นคริสตัลคล้ายเพชร แต่มีโพรงขนาดใหญ่ด้านใน
ภาพ: nobelprize.org
ต่อมาในปี 1992 ซุซุมุ คิตากาวะ เป็นอีกคนที่เสนอโครงสร้างโมเลกุล MOF ขึ้นมา ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีโพรงขนาดใหญ่พอที่จะใส่โมเลกุลอะซิโตนเข้าไปข้างในได้ แต่ทั้งร็อบสัน และคิตากาวะ ยังคงต้องพบเจอกับอุปสรรคเรื่องเดียวกันนั่นคือ MOF มีความเปราะบางมาก แตกต่างจากผลึกซีโอไลต์ (Zeolites) ที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักกันอยู่แล้วว่ามันเป็นผลึกของแข็ง ด้านในมีรูพรุน สามารถดูดซับแก๊สต่างๆ ได้ ผู้ออกทุนในตอนนั้นจึงไม่ได้เห็นความสำคัญของการสร้าง MOF สักเท่าไร
เป็นคิตากาวะเองที่อธิบายวิสัยทัศน์ผ่าน Bulletin of the Chemical Society of Japan เพื่อเปรียบเทียบให้สังคมเข้าใจว่าข้อดีของ MOF ยังมีอยู่มากมาย โดยเฉพาะคุณสมบัติของมันที่มีความเป็นไปได้หลากหลายมากกว่า ในขณะที่ซีโอไลต์อยู่ในสถานะของแข็งเท่านั้น แต่ MOF สร้างผลิตขึ้นมาให้มีความยืดหยุ่นได้ ทำให้การปรับขนาดโพรงให้ใหญ่หรือเล็กก็สามารถทำได้ง่ายกว่า รวมถึง MOF ยังเป็นโครงสร้างที่เกิดจากการประกอบคาร์บอนเข้ากับโลหะชนิดต่างๆ ซึ่งยังมีรูปแบบการใช้โลหะอีกมากเพื่อนำมาสร้างพันธะกับคาร์บอนจนเกิดเป็นโครงสร้างที่ต้องการ แต่ซีโอไลต์นั้นเกิดขึ้นจากซิลิคอนไดออกไซด์เท่านั้น
โครงสร้าง MOF มีความยืดหยุ่น สามารถสร้างให้มีโครงสร้างที่อ่อนนุ่มได้
ภาพ: nobelprize.org
โอมาร์ ยากิ ก็เป็นอีกหนึ่งคนที่มีความตั้งใจในการออกแบบโครงสร้าง MOF เพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ โดยเขาเป็นผู้ที่บัญญัติคำว่า Metal-organic frameworks ที่ย่อได้ว่าเป็น MOF รวมถึงเขายังเป็นผู้พัฒนา MOF ที่สามารถใช้ในการดักจับน้ำจากอากาศได้จริงราวกับเวทมนตร์
ยากิ ได้พัฒนา MOF-5 ขึ้นมา ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีความเสถียรสูงมาก สามารถทนความร้อนได้สูงกว่า 300°C โดยไม่ยุบตัว และด้วยปริมาณเล็กน้อยไม่กี่กรัมของมันกลับมีความยืดหยุ่นมากเสียจนมีพื้นที่ว่างภายในใหญ่พอจะเก็บสนามฟุตบอลไว้ได้ ซึ่งนั่นหมายความว่าเขาพัฒนา MOF ที่มีความสามารถในการดูดซับแก๊สได้ดีกว่าซีโอไลต์แล้ว และนั่นเป็นรากฐานสำคัญทำให้นักวิทยาศาสตร์ในยุคต่อมามีการพัฒนา MOF ที่มีความเสถียรเพิ่มมากขึ้นจนปัจจุบันมี MOF อยู่มากมายกว่า 100,000 ชนิด
ลักษณะของ MOF-5 ที่ออกแบบโดย โอมาร์ ยากิ สามารถขยายโพรงด้านในโครงสร้างให้มีขนาดใหญ่มากได้
ภาพ: nobelprize.org
ความสามารถพิเศษในการดักจับสารต่างๆ ของ MOF นั้น อาจใช้ในการดักจับคาร์บอนไดออกไซด์มลพิษร้ายทำลายโลกก็ได้ ดักจับไฮโดรเจนที่เป็นพลังงานสะอาดแห่งอนาคตก็ได้ ดักจับน้ำจืดที่กำลังน้อยลงทุกวันเพื่อให้มนุษย์มีความมั่นคงทางทรัพยากรน้ำมากขึ้นได้ หรือสามารถประยุกต์ใช้ได้กับอีกหลากหลายสถานการณ์ตามที่นักวิทยาศาสตร์จะจินตนาการออก
MOF จึงไม่ใช่แค่โมเลกุลที่มีโครงสร้างน่าสนใจเท่านั้น แต่ถ้าหลายคนจะมองว่ามันเป็น ‘วัสดุแห่งอนาคต’ ก็คงจะไม่แปลก เพราะยังมีพื้นที่อีกมากให้นักวิจัยศึกษาและออกแบบโครงสร้างที่สามารถสร้างประโยชน์ให้กับมนุษย์ได้ อีกไม่นานเราคงได้เห็นเทคโนโลยีใหม่ที่สร้างขึ้นจาก MOF มากขึ้น และนั่นจึงเป็นเหตุผลให้ผลงานดังกล่าวได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2025 ในที่สุด
