Nobelprisen i kjemi til kjemisk «svamp»: Kan rense vann og dosere medisiner

Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.

Det er nesten som en kjemisk «svamp» med innebygget vaske- og rensefunksjoner, hvis det er det du vil at den skal være.

Susumu Kitagawa, Richard Robson og Omar M. Yaghi mottok Nobelprisen i kjemi 2025. (Illustrasjon: Nobel Prize Outreach)

– En MOF er en struktur med uorganiske hjørnesteiner som er bundet sammen av organiske molekyler, forklarer professor i kjemi, Unni Olsbye, ved Universitetet i Oslo. 

MOF står for metall-organiske rammeverk. Olsbye har forsket på MOF’er i mer enn 20 år.

– Måten MOF’er er bygget på gjør at du har uendelig med muligheter til å tilpasse strukturen til ulike formål, sier hun.

I dag er MOF’er i bruk for spesielle høyteknologiske områder, som lagring av giftig gass og i spesiell militær bekledning. Men de tilpasses til mange ulike funksjoner.

Oppdagelsen og utviklingen av denne strukturen har derfor gjort at Nobelprisen i kjemi for 2025 ble gitt til Susumu Kitagawa, Richard Robson og Omar Yaghi.

Fra ur-MOF’en til super-struktur

De organiske lenkemolekylene kan kobles til ulike kjemiske grupper som kan få reaksjoner til å skje inne i strukturen. Det samme gjelder de uorganiske hjørnesteinene. 

Når strukturen i tillegg er porøs, eller hul, kan molekyler lagres i strukturen, eller filtreres gjennom den.

– Vi kan designe egenskaper. Det er nesten som å bygge med lego hvor du lager hulrom i et bestemt mønster, sier Olsbye.

Bildet viser ulike MOF-strukturerer, blant annet UiO-67 som er utviklet ved Universitetet i Oslo av Karl Petter Lillerud og hans gruppe. Dette er en av strukturene som ble presentert som et eksempel under Nobelforedraget i kjemi. (Figur: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences)

Hun forteller at blant Nobelpris-vinnerne kan Richard Robson kalles feltets stamfar. Han forutså hvordan man kunne designe porøse nettverk ved å kombinere kjemiske byggesteiner, og demonstrerte det i praksis. 

Han forutså også at materialene ville kunne brukes til mange av anvendelsene det forskes på i dag, som ionebytting, gassadsorpsjon og katalyse. 

«Ur-MOF’en» var porøs, men ikke veldig stabil. Omar Yaghi og Susumu Kitagawa klarte å utvikle MOF’er som var stabile etter både tørking, oppvarming og bruk til gass-adsorpsjon. 

Yaghi demonstrerte også hvordan porene i en struktur kan lages store eller små samtidig som poreformen beholdes. Det gjorde han ved å endre lengden på lenkemolekylene. 

Kitagawa laget strukturer som var fleksible, det vil si at de tilpasser seg omgivelsene. 

Begge har lagt inn ulike funksjonaliteter i MOF’ene. I dag finnes det godt over 10.000 ulike MOF-strukturer med mange funksjoner.

– Det spesielle med MOF’er er at nesten alle atomene i strukturen er tilgjengelig for innkommende molekyler, forklarer Olsbye. 

Det gjør at de har et enormt potensiale for å brukes til å lagre andre molekyler, absorbere tungmetaller eller rense vann.

Kan brukes til å rense vann eller skaffe drikkevann

– En bruk Yaghi selv har foreslått, er å absorbere vann fra lufta på nattestid i ørkenen. Om dagen kan vannet fordampes fra materialet ved hjelp av sollys, og føres over i et kammer hvor det kondenserer. Slik kan det skaffes drikkevann i tørre eller forurensede områder. Dette er noe jeg tenker at kan ha stor betydning, sier Olsbye. 

Like aktuelt er MOF’er som kan fange CO₂. Dette er noe av kolleger av Olsbye ved Universitetet i Oslo jobber med.

Selv bruker Olsbye strukturene til katalyse. Ifølge henne er det oppnådd mange lovende forskningsresultater, både i egen gruppe og rundt om i verden, men foreløpig ingen kommersiell bruk innen industriell prosesskjemi.

– Den første kommersielle bruken av MOF’er var til frigjøring av etylen-gass, forklarer hun. 

Den kan brukes til å modne frukt. I stedet for å spraye frukten, så kan MOF-materialer frigjøre gass langsomt og mer stabilt.

Olsbye forklarer at det forskes på liknende måter å bruke MOF’er på innen medisin, til såkalt slow release, altså at medisin-molekyler kan pakkes inn i MOF-strukturen, og slippes ut sakte. Da får pasienten en stabil dose uten å trenge å ta medisin like ofte.

Bruker MOF’er for å forstå enzymer

Olsbye forteller at hun bruker MOF-strukturene til å forsøke å forstå den aktive delen av et enzym. Enzymer er stoffer som får reaksjoner til å skje. Dyr og planter inneholder en rekke enzymer som er viktige for å leve.

– Vi bruker MOF’ene til å gjenskape omgivelsene til den aktive delen av et enzym, sier Olsbye. 

MOF’ene er små og har veldefinert struktur, mens den aktive delen av enzymene ofte er gjemt inne i en stor, kompleks og dynamisk struktur. Det gjør det lettere for forskerne å forstå hva som skjer i enzymene og hvordan de enkelte delene virker.

Et av Olsbyes mål er få til miljøvennlige metoder for CO2-hydrogenering. Det er en metode for å fjerne CO₂ og samtidig kunne produsere miljøvennlig drivstoff, eller andre nyttige produkter.