Bir gram malzeme, bir dünya değişim: MOF’lar çağı başlıyor

Geçtiğimiz hafta açıklanan 2025 Nobel Kimya Ödülü, henüz günlük hayatımıza tam olarak girmemiş olsa da dünyayı kökten değiştirme potansiyeli taşıyan bir bilimsel keşfi gündeme taşıdı: Metal-Organik Çerçeveler (MOF).

Japon Susumu Kitagawa, Avustralyalı Richard Robson ve Filistin asıllı Amerikalı Omar M. Yaghi, iklim değişikliğinden temiz suya kadar birçok küresel soruna çözüm vadeden bu devrim niteliğindeki gözenekli malzemeleri geliştirdikleri için ödüle layık görüldü. İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi, bir kez daha temel bilimlerin ne kadar büyük bir potansiyel barındırdığını gösteren bu çalışmayı onurlandırdı.

Türkiye’de de MOF’lar üzerine çalışan ve Koç Üniversitesi bünyesinde bir araştırma grubu var. Hatta bu araştırma grubu NEMO'nun direktörü Seda Keskin Avcı, sarkac.org'un kurucu editörü Defne Üçer Şaylan'la geçen seneki söyleşisinde şunları söylemiş: “MOF sentezleyen kimyagerlerden birinin Nobel’le onurlandırılma ihtimalini yüksek görüyorum çünkü bu malzemelerin tıpkı polimerler gibi günlük hayatımızda somut bir yer edineceğine inanıyorum. Bugün kâğıttan plastiğe etrafımızı saran polimerler nasıl işleri kolaylaştırıyorsa, MOF’lar da benzer bir işlev üstlenebilir.”

Şaylan'ın bugünkü yazısında da vurguladığı gibi bir sene sonra ödül, bu öngörüye uygun olarak geldi.

Peki MOF nedir? Şimdi biraz daha ayrıntısına inelim.

MOF (Metal-Organic Framework), yani Metal-Organik Kafesli Yapı, metal iyonları ve organik moleküllerin birleştirilmesiyle oluşturulan, üç boyutlu, kristal ve son derece gözenekli bir katı malzeme sınıfı.

Nobel Kimya Komitesi Başkanı Prof. Heiner Linke, bu yapıları 'tıpkı bir oteldeki odalar gibi geniş boşluklara sahip' olarak tanımladı. Komite, MOF'ların inanılmaz depolama kapasitesini ise 'az bir miktar malzemenin bile Harry Potter’daki Hermione’nin çantası gibi devasa hacimler saklayabilmesi' benzetmesiyle açıkladı.

Nano boyutta dev yüzey alanı: Sarkac.org'da derlenen Seda Keskin Avcı'nın yazısında belirtildiği gibi, bir gram MOF, nano boyuttaki gözenekleri sayesinde birkaç futbol sahası büyüklüğünde bir yüzey alanına sahip olabilir. Bu, malzemenin yüksek miktarda gaz veya sıvı molekülünü ('konuk molekülleri') içine hapsetmesini sağlar.

İnşa edilebilir kimya: Keşfin en önemli yönü, ödülü alanlardan Yaghi'nin de ifade ettiği gibi, kimyagerlerin bu yapıları adeta Lego parçaları gibi inşa edebilmesi. Metal iyonları ve organik bağlayıcıları farklı şekillerde birleştirerek, istenilen uygulamaya özgü özelliklere sahip yeni malzemeler tasarlanabiliyor. 1999'daki ilk kararlı MOF'tan bu yana bu "Lego mantığı" sayesinde 140 binin üzerinde farklı MOF çeşidi sentezlendi.

MOF'ların yolculuğu

MOF'ların hikayesi, Avustralyalı kimyager Richard Robson'ın 1980'lerde bakır iyonları ve organik moleküllerle kristal bir yapı oluşturma deneyiyle başladı. Ancak Avcı'nın da aktardığı üzere, bu ilk yapılar kararsız ve kolayca bozulabiliyordu.

Alan, 1990'larda Susumu Kitagawa ve Omar M. Yaghi'nin kararlı MOF yapılarını sentezlemesiyle devrim geçirdi. Yaghi, 1999'da sentezlediği, bilinen en yüksek yüzey alanına sahip çinko bazlı MOF ile alanda çığır açtı. Kitagawa ise kobalt, nikel ve çinko bazlı benzer yapıların sadece kararlı olmakla kalmayıp, esnek olabileceğini ve metan gibi gazları depolayabileceğini gösterdi.

Geleceği şekillendiren uygulamalar

MOF'ların benzersiz başarısı, ultra yüksek gözenekliliğinden ve kimyagerlere sunduğu tasarım esnekliğinden kaynaklanıyor. Bu özellikler, her bir uygulamaya özel 'moleküler süngerler' üretilmesini sağlıyor.

Karbondioksit (CO2) yakalama: Yüksek verimli sünger filtre

MOF'lar, iklim değişikliğiyle mücadelede kullanılan mevcut karbon yakalama teknolojilerine kıyasla iki temel fark yaratır:

*Seçici ve yoğun yakalama: MOF'ların gözenekleri ve iç yüzeyleri, gaz moleküllerine karşı kimyasal olarak ayarlanabilir (fonksiyonelleştirilebilir). Bu, MOF'ların, bacalardaki diğer gazlar (azot, oksijen) arasından sadece karbondioksite karşı çok daha yüksek bir çekim gücü göstermesi ve onu hızla yakalaması anlamına gelir. Yüksek yüzey alanı sayesinde, çok az bir MOF hacmi, büyük miktarda karbondioksit emebilir.

*Verimli enerji geri kazanımı: Yakalanan karbondioksitin ayrıştırılıp depolanması veya kullanılması (rejenerasyon), geleneksel yöntemlerde çok enerji tüketir. MOF'lar, genellikle zayıf fiziksel etkileşimlerle gazı tuttuğu için, gözenekleri boşaltmak karbondioksiti serbest bırakmak için gereken sıcaklık ve basınç değişimi çok daha azdır. Bu, süreci daha az maliyetli ve enerji açısından verimli hale getirir. İşlem geri alınabilir olduğu için MOF defalarca kullanılabilir.

Temiz yakıt depolama: Yoğunluk ve güvenlik

Hidrojen ve Metan gibi temiz yakıtların yaygınlaşmasının önündeki en büyük engel, bunların güvenli ve yoğun bir şekilde depolanmasıdır.

*Moleküler sünger etkisi: MOF'lar, nano boyutlu gözeneklerinin içine gaz moleküllerini yüksek yoğunlukta hapsederek, gazı sıkıştırma ihtiyacını azaltır. Sarkac.org'daki yazıda belirtildiği gibi, bu, temiz enerji uygulamaları için kritik öneme sahiptir.

*Geleneksel tanklara alternatif: Hidrojenin depolanması genellikle çok yüksek basınçlı tanklar veya sıvılaştırılmış halde aşırı düşük sıcaklıklar gerektirir. MOF'lar, gazı daha düşük basınçta ve daha güvenli bir şekilde, katı bir malzeme içinde emerek depolayabilir. Bu, depolama sistemlerinin ağırlığını ve karmaşıklığını azaltarak, özellikle araç yakıt tankları gibi mobil uygulamalar için büyük bir avantaj sağlar.

Temiz su ve toksin giderme: Hassas ayırma ve hava hasadı

Bu alanda MOF'lar, hem su tedariki hem de su kalitesi sorunlarına yenilikçi çözümler sunar:

*Hava hasadı (çölden su): MOF'lar, havadaki su buharını çok düşük nem seviyelerinde bile yakalamak üzere tasarlanabilir. Gözenekler, su moleküllerine karşı güçlü bir çekim gösterir. Yeterli buhar toplandıktan sonra, güneş ısısı gibi düşük enerjili bir kaynak kullanılarak bu su, sıvı hale getirilerek dışarı alınır. Bu teknoloji, şebeke elektriği veya su kaynağı olmayan kurak veya çöl bölgelerinde temiz içme suyu üretme potansiyeline sahiptir.

*Kalıcı toksinlerin temizlenmesi: MOF'lar, sudaki zehirli maddeleri ve özellikle 'sonsuz kimyasallar' (PFAS) gibi parçalanması zor bileşikleri ayırmak için tasarlanabilir. MOF'un gözenek boyutu ve iç kimyası, bu toksinleri seçici olarak yakalayıp sudan ayıracak şekilde hassasça ayarlanabilir.

Sağlık ve ilaç: Akıllı taşıyıcılar

MOF'ların ilaç uygulamalarında sağladığı temel kolaylık, ilacı koruma ve kontrol etme yeteneğidir. Yani MOF'lar, ilaç moleküllerini nano ölçekli gözeneklerinin içine yüksek konsantrasyonda 'yükleyebilir'. Bu, ilacın çevresel faktörlerden etkilenmesini önler. Daha da önemlisi, MOF'un yapısı, ilacın vücutta belirli bir hızda veya sadece belirli bir uyarana (örneğin asitlik seviyesi, sıcaklık) tepki olarak kontrollü bir şekilde serbest bırakılmasını sağlayacak şekilde ayarlanabilir. Bu, tedavinin etkinliğini artırırken yan etkileri azaltma potansiyeline sahiptir.

Özetle, MOF'ların sunduğu en büyük kolaylık, geleneksel malzemelerle mümkün olmayan bir hassasiyetle, istenilen molekülü seçip ayırma veya depolama yeteneğidir. Bu, MOF'ları 'uygulamaya özgü malzeme üretimi' için ideal hale getirir.

Büyük ölçek üretim engeli ve yapay zeka çözümü

MOF'lar teoride dünyayı değiştirecek olsa da Avcı'nın da dediği gibi şu an için laboratuvar ölçeğinde (birkaç gram) üretiliyor. Gaz yakalama filtreleri gibi uygulamalar için tonlarca üretime, yani endüstrileşmeye geçilmesi gerekiyor. Koç Üniversitesi'nden Prof. Dr. Seda Keskin Avcı, bu geçişin önündeki en büyük engelin ölçeklendirme farkı ve MOF'ların dayanıklılığı olduğunu belirtiyor.

Prof. Avcı'nın liderliğindeki araştırma grubu ise bu soruna yenilikçi bir çözüm getiriyor: Yapay Zeka (YZ). Yüz binlerce MOF'u deneysel olarak test etmek yerine, YZ destekli simülasyonlarla 'hızlandırılmış malzeme keşfi' yaparak, belirli bir uygulama için en uygun ve en dayanıklı MOF'ları hızlıca belirliyorlar.

Ödülü alanların hikayeleri de ilham veriyor

Ödülü kazanan üç bilim insanının hikayeleri de bilime olan inancı güçlendiriyor. Özellikle Filistin asıllı Omar M. Yaghi'nin hayatı ilham verici. Ürdün'ün Amman kentinde, okuma yazma bilmeyen İsrail'im saldırıları nedeniyle mülteci olmuş bir ailede ve kısıtlı imkanlarla büyüyen Yaghi, Nobel'i aldıktan sonra verdiği röportajda duygularını şöyle dile getirdi: "Bilim, dünyadaki en büyük eşitleyici güçtür."

Yaghi, aynı zamanda karbondioksit yakalama ve su hasadı teknolojileri üzerinde çalışan bir şirketin de kurucusu. Onun bu mütevazı ve paylaşımcı karakteri, genç bilim insanlarına bilimin herkese açık olduğunu bir kez daha gösteriyor.

MOF'lar, henüz genç bir teknoloji olmasına rağmen, bilim camiası önümüzdeki 10-15 yıl içinde endüstride ve nihayetinde günlük yaşamımızda kendilerine kalıcı bir yer edineceklerine inanıyor.