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Omar M. Yaghi

Balzan Preis 2024 für Nanoporöse Materialien für Umweltanwendungen

Für seine bahnbrechenden Beiträge zur Entdeckung und Entwicklung nanoporöser Gerüstmaterialien und zur Förderung ihrer Anwendungen bei der Kohlenstoffabscheidung, Wasserstoffspeicherung und Wassergewinnung aus der Wüstenluft. Yaghi entwickelte grundlegende Konstruktionsprinzipien und innovative Synthesemethoden und schuf damit zwei umfangreiche Kategorien von nanoporösen Materialien: metallorganische Gerüste (MOFs – Metal-Organic Frameworks) und kovalente organische Gerüste (COFs – Covalent-Organic Frameworks). Diese innovativen Materialien stehen heute an vorderster Front bei den weltweiten Bemühungen, den kritischen Nachhaltigkeits- und Umweltherausforderungen unseres Planeten entgegenzutreten.

Omar Yaghi gründete die netzartige Chemie, die Wissenschaft vom Aufbau chemischer Strukturen aus molekularen Bausteinen. Er ist berühmt für die Entwicklung von metallorganischen Gerüsten (MOFs), kovalenten organischen Gerüsten (COFs) und zeolithischen Imidazolatgerüsten (ZIFs – Zeolitic Imidazolate Frameworks), Materialien, die für ihre außergewöhnlich große Oberfläche und Nanoporosität bekannt sind. Die Porosität dieser Gerüste übertrifft bei weitem diejenige der üblichen porösen Materialien und erhöht erheblich ihren Nutzen bei der Speicherung und Erzeugung sauberer Energie, der Speicherung und Abtrennung von Wasserstoff, Methan und Kohlendioxid sowie bei der Produktion von sauberem Wasser, Superkondensatoren und leitfähigen Systemen. Der von Professor Yaghi entwickelte Baustein-Ansatz hat ein exponentielles Wachstum bei der Schaffung neuer Materialien mit beispielloser chemischer Vielfalt und Komplexität ausgelöst, wie es die umfangreiche Literatur über metallorganische Gerüste beweist.

In den frühen 1990er Jahren schlug Omar Yaghi vor, molekulare Bausteine und starke Bindungen zu verwenden, um kristalline Materialien zu erzeugen. Damals hielt die wissenschaftliche Gemeinschaft dieses Konzept für chemisch unmöglich, da starke Bindungen zwischen solchen molekularen Bausteinen in der Regel zu undefinierten, amorphen Festkörpern führten. Diese Auffassung änderte sich 1995, als er zum ersten Mal erfolgreich nachwies, dass Metallionen dank negativ geladener organischer Linker zusammengefügt werden können, um starke Verbindungen und geordnete kristalline Gerüstmaterialien zu bilden. Diese bahnbrechende Entdeckung, die in Nature veröffentlicht wurde, ermöglichte die Entwicklung dieser neuen Kategorie von Materialien, die metallorganischen Gerüste.

Er erkannte das Potenzial von metallorganischen Gerüsten, von Gasen und Molekülen wie Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasser und die Notwendigkeit, deren architektonische Stabilität zu beweisen. 1998 berichtete er über die Messung der ersten Gas-Adsorptionsisothermen an einem metallorganischen Gerüst aus Kupferoxidclustern und Terephthalat, wobei die dauerhafte Porosität des metallorganischen Gerüstes nachgewiesen werden konnte. Dies führte 1999 zu einem viel zitierten Artikel in Nature, in welchem er das inzwischen ikonische MOF-5 beschrieb. MOF-5 zeichnete sich durch eine ultrahohe Porosität mit einer Oberfläche von etwa 3.000 Quadratmetern pro Gramm und einer groβen mechanischen Stabilität aus. Die kolossale Porosität und Robustheit von MOF-5 führten zum Studienfach der metallorganischen Materialien und markierte den Beginn von Omar Yaghis Pionierarbeit zur Nutzung der Porosität für die Speicherung von Wasserstoff, die Abscheidung von Kohlenstoff und die Gewinnung von Wasser aus der Luft.

Dass die Wahl im Nanobereich auf die Anwendung von metallorganischen Gerüsten fällt, ist derer Porosität zu verdanken, die für saubere Luft, saubere Energie und sauberes Wasser sorgt. Er entwickelte auch eine Strategie zur Herstellung von metallorganischen Gerüsten mit einer Oberfläche von bis zu 7.000 Quadratmetern pro Gramm, wodurch das immense Potenzial dieser Materialien noch deutlicher wurde.

Im Anschluss an diese Errungenschaften entdeckte und entwickelte Omar Yaghi eine weitere große Kategorie von Materialien, über welche er 2005 in einem Artikel in Science berichtete, die kovalenten organischen Gerüste. Diese bestehen ausschließlich aus organischen Molekülen, die durch kovalente Bindungen, die stärksten Bindungen der Chemie, zusammengehalten werden. Dies macht die kovalenten organischen Gerüste äußerst strapazierfähig, und dank ihrer leichten Bestandteile gehören sie zu den am wenigsten dichten Materialien. Er entwickelte kovalente organische Gerüste mit spezifischen Nanoporenformaten und Umgebung, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu verdichten und Wasser aus der Wüstenluft abzufangen, und das alles unter praktischen Bedingungen.

Sein Ansatz der starken Bindungen und die Präzision seiner Chemie verleihen diesen Materialien eine hohe thermische und chemische Stabilität, so dass sie über viele Jahre hinweg verwendet und zykliert werden können. Die ultrahohe Porosität seiner Gerüste ermöglicht einen wirtschaftlichen Einsatz in der Gasspeicherung für saubere Energie, mit den zusätzlichen Vorteilen hoher Kapazität und Effizienz. Omar Yaghis bahnbrechende Entdeckungen haben entscheidende Werkzeuge zur Bekämpfung der Klimakrise geliefert.