Den Chemie-Nobelpreis bekommen die drei Forscher für die Entdeckung von Metal Organic Frameworks (MOFs). © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Man kann sich MOFs wie ein dreidimensionales Gerüst oder Netz vorstellen, bei dem die Metallstellen die „Knoten“ bilden und die organischen Moleküle die „Stäbe“ verbinden. Dieses Gerüst schafft sehr viele Hohlräume (Poren) im Inneren, die extrem viel Oberfläche auf kleinem Raum bieten.

Dank dieser Eigenschaften können MOFs zum Beispiel:

• Gase speichern oder trennen (z. B. Wasserstoff, Kohlendioxid)
• Katalysatoren tragen
• Moleküle gezielt einfangen oder transportieren

Den diesjährigen Nobelpreisträgern ist es gelungen chemische Werkzeuge zu finden, um völlig neue Materialien zu kreieren.

Wo können MOFs eingesetzt werden?

MOFs sind vielseitig einsetzbar und bieten interessante Perspektiven:

• MOF-303: Wassergewinnung aus Wüstenluft
• MIL-101: Katalyse von Rohölabbau und Antibiotika-Abbau, Speicherung von Wasserstoff oder CO_₂
• UiO-67: PFAS-Aufnahme aus Wasser
• ZIF-8: Experimentelle Gewinnung seltener Erden aus Abwasser
• CALF-20: Kohlenstoffdioxid-Absorption in Industrieanlagen
• NU-1501: Wasserstoffspeicherung bei Normaldruck

Richard Robson ließ sich von der Struktur des Diamanten inspirieren, in der jedes Kohlenstoffatom mit vier anderen in einer pyramidenartigen Form verbunden ist. Anstelle von Kohlenstoff verwendete er Kupferionen und ein Molekül mit vier Armen, an deren Enden jeweils eine Nitrilgruppe sitzt. Dabei handelt es sich um eine chemische Verbindung, die von Kupferionen angezogen wird. Als die Substanzen kombiniert wurden, bildeten sie einen geordneten und sehr geräumigen Kristall. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Er kombinierte die Kupferionen mit einem Molekül, das vier Arme besitzt: 4′,4″,4‴,4⁗-tetracyanotetraphenylmethan. An den Enden der Arme befand sich die chemische Gruppe Nitril, die von den positiv geladenen Kupferionen angezogen wird. Das Ergebnis: eine geordnete und sehr geräumige Kristallstruktur mit zahlreichen Hohlräumen.

1974 hätten viele Chemiker vermutet, dass sich Kupferionen und vierarmige Moleküle zu einem chaotischen Nest verbinden. Doch Robsons Prognose bewahrheitete sich: Die Substanzen organisierten sich selbst zu einer regelmäßigen Kristallstruktur – allerdings mit großen Hohlräumen statt kompakter Dichte.

1989 veröffentlichte Robson seine Entdeckung im Journal of the American Chemical Society und spekulierte über die zukünftigen Möglichkeiten: Solche Materialien könnten völlig neue Eigenschaften erhalten.

Kitagawa: Vom „Nutzlosen“ zum Nützlichen

Anfang der 1990er-Jahre baute Susumu Kitagawa an der Kindai University, Japan, darauf auf. Sein Motto: die Nützlichkeit des Nutzlosen erkennen. Als junger Student war er inspiriert durch den Nobelpreisträger Hideki Yukawa, der sich auf den Philosophen Zhuangzi berief: Man solle hinterfragen, was wir für nützlich halten.

1997 gelang es Kitagawa, ein metallorganisches Gerüst zu erzeugen, das von offenen Kanälen durchzogen war. Diese konnten mit verschiedenen Gasarten gefüllt werden. Das Material konnte die Gase wieder freisetzen, ohne dass seine Struktur beeinträchtigt wurde. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

1992 präsentierte Kitagawa ein zweidimensionales Material mit Hohlräumen, in denen sich Aceton verstecken konnte – zunächst nicht besonders nützlich, aber ein neuer Ansatz für den molekularen Bau. 1997 gelang ihm der Durchbruch: Mit Co-, Ni- oder Zn-Ionen und 4,4’-Bipyridin entstanden dreidimensionale MOFs mit offenen Kanälen. Getrocknet konnten sie Gase aufnehmen und wieder abgeben, ohne ihre Struktur zu verändern.

1998 schlug Kitagawa vor, metallorganische Gerüste flexibel zu gestalten. Inzwischen gibt es zahlreiche flexible MOFs, die ihre Form verändern können, zum Beispiel, wenn sie mit verschiedenen Stoffen gefüllt oder entleert werden. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

1998 definierte Kitagawa in der Bulletin of the Chemical Society of Japan die Einzigartigkeit von MOFs: Sie lassen sich aus vielen Molekültypen herstellen, sind flexibel und können Funktionen kombinieren – im Gegensatz zu starren Zeolithen. Dies ermöglichte die Entwicklung flexibler MOFs, die sich beim Ein- und Ausfüllen von Gasen verformen und wieder zurückkehren, wie „Lungen, die atmen“.

Yaghi: MOFs als kontrollierte molekulare Architektur

Omar Yaghi, aufgewachsen in Amman, Jordanien, stieß als Zehnjähriger auf Molekülstrukturen in einer Schulbibliothek. Mit 15 zog er in die USA, studierte Chemie und wollte neue Materialien kontrollierter herstellen. Traditionelle Methoden erzeugten oft unerwünschte Nebenprodukte.

1992, als Forschungsgruppenleiter an der Arizona State University, kombinierte er Metallionen mit organischen Molekülen – wie Lego-Steine – um große Kristalle zu bauen. 1995 veröffentlichte er zwei zweidimensionale Materialien, die stabile Hohlräume enthielten, sogar bei Temperaturen bis 350 °C. Er prägte dafür den Begriff „metal–organic framework“, der heute für geordnete molekulare Strukturen mit Hohlräumen aus Metallen und organischen Molekülen steht.

1999 stellte Yaghi ein sehr stabiles Material namens MOF-5 her, das über würfelförmige Hohlräume verfügt. Schon wenige Gramm können eine Fläche so groß wie ein Fußballfeld aufnehmen. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

1999 präsentierte Yaghi MOF-5, ein stabiler, geräumiger Kristall, dessen Hohlräume ein paar Gramm des Materials auf die Fläche eines Fußballfeldes erweitern – ein enormer Vorteil gegenüber Zeolithen.

Anfang der 2000er-Jahre zeigte Yaghi, dass es möglich ist, ganze Familien von MOF-Materialien herzustellen. Er variierte die molekularen Verbindungen, was zu Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften führte. Dazu gehören 16 Varianten von MOF-5 mit Hohlräumen in verschiedenen Größen. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

2002 und 2003 zeigte Yaghi in Science und Nature, dass MOFs gezielt modifiziert werden können. So entstanden 16 Varianten von MOF-5, die Methan speichern oder Wasser aus Wüstenluft gewinnen können.

Nobelpreis für Chemie – Mehr als 120 Jahre Geschichte

Der Nobelpreis für Chemie wird seit 1901 jährlich verliehen und würdigt herausragende Entdeckungen, die unser Verständnis der Chemie und ihre Anwendungen entscheidend vorangebracht haben. Zu den bedeutendsten Preisträgern zählen etwa Marie Curie, die 1911 für ihre Forschung zur Radioaktivität ausgezeichnet wurde, sowie Linus Pauling, der 1954 für seine Arbeiten zur Chemie der Proteine geehrt wurde und 1962 zudem den Friedensnobelpreis erhielt. In jüngerer Zeit prägte die Entwicklung der „Click-Chemie“ durch Carolyn Bertozzi, Morten Meldal und K. Barry Sharpless im Jahr 2022 die Forschung, indem sie einfache und effiziente Methoden zur Molekülverknüpfung bereitstellten. 2024 wurde der Preis an David Baker sowie Demis Hassabis und John Jumper für ihre Arbeiten zur Vorhersage und Gestaltung von Proteinstrukturen mit künstlicher Intelligenz verliehen – ein Durchbruch mit enormem Potenzial für Medizin und Materialwissenschaften. Diese Beispiele zeigen, wie Chemie nicht nur unser Wissen erweitert, sondern auch konkrete Lösungen für globale Herausforderungen bietet.

Die Nobelpreisträger des letzten Jahres

Im vergangenen Jahr hat die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm hat John Jumper und Demis Hassabis mit dem Nobelpreis für Chemie 2024 für ihre Arbeit an der KI AlphaFold ausgezeichnet, mit der sich Proteinstrukturen vorhersagen lassen. Ebenfalls geehrt wurde David Baker, der rechnergestützte Methoden zur gezielten Entwicklung von Proteinen erforscht.

AlphaFold gilt als bahnbrechendes Werkzeug, da es erstmals ermöglicht, die räumliche Struktur eines Proteins allein auf Basis seiner Aminosäuresequenz präzise zu bestimmen – ein Problem, das lange als nahezu unlösbar galt. Baker befasst sich dagegen mit der umgekehrten Herausforderung: Er nutzt Computerverfahren, um Aminosäurefolgen zu entwerfen, die zu Proteinen mit spezifischen Eigenschaften führen.

Wer mit dem Medizin-Nobelpreis und dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wird, wurde bereits verkündet. Am Donnerstag, den 9. Oktober und Freitag, den 10. Oktober werden Nobelpreise für Literatur und der Friedensnobelpreis bekanntgegeben - am kommenden Montag, der von der schwedischen Reichsbank gestiftete Wirtschaftsnobelpreis.

Der schwedische König überreicht die Auszeichnungen traditionell am 10. Dezember, dem Todestag des Preisstifters Alfred Nobel. Das Preisgeld beträgt im Jahr 2025 in jeder Kategorie elf Millionen schwedische Kronen, umgerechnet etwa eine Million Euro.

Quelle: Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften, Titelbild: Jean-Luc Flémal