2025 Nobel Kimya Ödülü: Dünyayı değiştirebilecek malzemeler

Henüz günlük hayatımıza tam olarak girmemiş olsa da temelleri 45 yıl kadar önce atılan yeni bir malzeme türü geleceğimizi değiştirme potansiyeline sahip. Bu malzeme sınıfını keşfeden ve geliştiren üç bilim insanı 2025 Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldü. İlk ortaya çıktığında birçok kişi tarafından pek faydalı olmayacağı düşünülmüş bir temel bilim keşfi daha Nobel Ödülü almış oldu ve bize temel bilimlerin önemini hatırlattı.

1980’lerde kimyager Richard Robson, aklına takılan bir sorunun üzerine gidince bakır iyonlarını organik bir molekülle birleştirdiğinde kristal ve gözenekli bir yapı elde edilebildiğini göstermiş. Bu ilk örnekler kararsız, yani kolayca bozulabiliyor olsa da Robson’un keşfinin potansiyelini gören Susumu Kitagawa ve Omar Yaghi 1990’lar bitmeden birbirlerinden bağımsız olarak çeşitli metal iyonları ve organik moleküller kullanarak kararlı yeni yapılar sentezlemeyi başarmışlar.

Türkçeye metal–organik iskelet, metal–organik kafesli yapı ya da metal–organik çerçeve olarak çevrilen bu malzemelere İngilizce’de “metal–organic framework” (MOF) deniyor. Biz de bu yazının devamında bu malzemelere kısaca MOF diyeceğiz.

Türkiye’de MOF’lar üzerine çalışan bir araştırma grubu var. Koç Üniversitesi bünyesindeki NEMO^[1]Nanomaterials, Energy, and Molecular Modeling (NEMO) Group, https://mysite.ku.edu.tr/skeskin/’nun direktörü Bilim Akademisi üyesi Seda Keskin Avcı’yla 2024’te yaptığımız söyleşide şöyle demişti:^[2]Umut veren malzemeler: İklim ve enerji sorununa çözüm olabilir mi?, Seda Keskin Avcı’yla Meraklısına Bilim,  https://www.youtube.com/watch?v=_1kvZ7iXbZY

“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.”

Bir yıl sonra Nobel Ödülü geldi. Biz de MOF’ların doğasını, geçmişini, geleceğini ele aldığımız bu söyleşide konuştuklarımızı metinleştirip Seda Keskin Avcı’nın katkılarıyla yayına hazırladık.

MOF nedir?

MOF’ları legolara benzetebiliriz. Lego yaparken hangi parçaları bir araya getirdiğimizde ne oluşturabileceğimize dair bir fikrimiz olur. Kimyagerler de belli metal iyonlarıyla belli organik bağlayıcı molekülleri bir araya getirdiklerinde MOF diye adlandırdığımız bu kafesli gözenekli yapıları oluşturabiliyorlar.

1999’da Yaghi’nin araştırma grubunun sentezlediğini duyurduğu MOF, alanda bir klasik olarak biliniyor. Bu malzemenin yüzey alanının bilinen bütün gözenekli kristal malzemelerden daha yüksek olduğu, öz kütlesinin yine bilinen bütün kristal malzemelerden çok daha düşük olduğu, bu inanılmaz gözenekli yapının gözeneklerinde çeşitli konuk moleküllerin tutulabileceği ve son derece kararlı olduğu gösterilmişti.^[3]Li, H., Eddaoudi, M., O’Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (1999). Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework. Nature, 402(6759), 276–279. https://doi.org/10.1038/46248 Özelliklerini biraz daha anlamaya çalışırsak bir gramında 10 bin -20 bin metrekare bir yüzey alanından bahsediyoruz. Bunlar da tuz gibi kristal ve katı malzemeler, fakat gözenekli yapısı sayesinde bir gram MOF’un yüzey alanı birkaç futbol sahası alanı kadar olabiliyor. Tabii gözenekler de nano boyutta, yani bir saç telinin milyarda biri, trilyonda biri gibi bir gözenek boyutundan bahsediyoruz.  Bu gözenekler sayesinde içinde konuk molekülleri, örneğin bir gaz molekülünü tutabiliyorlar.

Ama bu malzemelerin ünlü olmasının nedeni sadece bu yüksek yüzey alanı ya da gözeneklerinde gaz tutmasıyla ilgili değil, sınırsız bir potansiyeli olması.

MOF’ların sınırsız potansiyeli

Kimyagerlerin lego mantığını çözüp arka arkaya çok fazla metal organik yapı sentezlemesiyle bu potansiyel fark ediliyor, bu da alanın çok hızlı ilerlemesine yol açıyor. 1999’da ilk malzeme sentezlendi demiştik, benim doktoraya gidip MOF’ları çalışmaya karar vermem 2006’da oldu, bugün bildiğimiz sentezlenmiş 140bin’in üzerinde MOF var. Sentezlenmiş olanların yanı sıra bilgisayar simülasyonlarıyla sentezlenebileceği gösterilmiş milyonlarca malzemeden söz ediyoruz.

Yine o lego örneğine dönersek, elimizde birtakım lego parçaları olduğunda çok farklı şeyler yapabiliriz. Örneğin uçak, araba, ev yapabiliriz.  O parçaları farklı kombinasyonlarda bir araya getirdiğimizde aslında sonsuz sayıda olasılık var, yeni malzeme yapabilmek için. Bu kadar çok malzemenin olması öncelikli olarak kimya, kimya mühendisliği, malzeme bilimi için sonrasında bütün diğer mühendislik alanları için çok ilgi çekici.

Daha önce bildiğimiz polimerlerde bu çeşitlilik yoktu. Orada sayılar sınırlıydı yani malzeme dünyamız sınırlıydı. Şu an sınırsız bir malzeme dünyamız var. Üstelik 2010’lu yıllarda belli bir uygulamaya özgü malzeme yapma becerisini de kazandık. Yani artık istenilen her uygulama için yeni bir MOF yapılabilme şansımız var.  Bu da bizi şu noktaya getirdi: Gaz tutmak istiyorsan ona uygun bir MOF yaparsın. Su temizlemek istiyorsan ona uygun, ilaç depolayacaksan ona uygun bir MOF yaparsın. Yani uygulamaya özgün malzeme üretme gibi bir kapı açıldı.  Hakikaten de bilinen tüm malzemelerin yerini alabilecek değişik özelliklere sahip çok ilginç bir malzeme ailesi var elimizde.

MOF’lar 2019’a gelindiğinde dünya değiştirebilecek malzemeler listesine girmeyi başarmıştı.^[4]Ten Chemical Innovations That Will Change Our World: IUPAC identifies emerging technologies in Chemistry with potential to make our planet more sustainable, https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/ci-2019-0203/html

MOF’ların işlevleri

MOF’ların “organik” niteliği,  malzeme ailesinin sunduğu çeşitlilik, çevresel kaygılarla performans hedeflerini aynı anda gözetebilmemize imkân veren büyük bir avantaj.

MOFların konuk molekülleri tutucu özelliğinden başlayalım. Sürekli konuştuğumuz iklim değişikliği, küresel ısınma gibi sorunlara neden olan gazlardan biri  karbondioksit ve biz elektrik kullandığımız sürece, teknolojiden faydalandığımız sürece, yani insanlar dünya üzerinde var olduğu sürece karbondioksit salımı ve küresel ısınmaya olumsuz katkısı devam edecek. Bununla mücadele etmek için yapılabilecek şeylerden birisi de bu havadaki karbondioksiti yakalamak. Karbondioksit salımını azaltarak küresel ısınmanın yavaşlamasını sağlayabiliriz.

Karbon yakalama üzerine birçok teknoloji üzerine çalışılıyor. Bu teknolojilerden belki de en önemlisi karbondioksiti oluştuğu yerde yakalamayı hedefliyor. Bunu bir filtre gibi düşünebilirsiniz. MOFların böyle bir işlevi olabilir, MOF’u bir bacanın kenarına getirdiğinizde çıkan karbondioksiti tutması mümkün. Kimyasal olarak zayıf fiziksel etkileşimler adını verdiğimiz, tamamen tersinir (reversible) olan yani gerçekleştikten sonra geri alabileceğimiz bir işlem bu. Gözenekli malzememiz sünger gibi o gazı içine alıyor. Siz gözenekleri boşaltmak istediğinizde de basınç ve sıcaklıkla oynayarak boşaltıp o malzemeyi tekrar tekrar kullanabiliyorsunuz.

Bu özelliği yalnız istemediğimiz gazları tutmak için değil, istediğimiz gazları depolamak için de  kullanmak mümkün. Örneğin metanın ve hidrojenin depolanması bizim için çok önemli. Çünkü temiz enerji, yeşil enerji uygulamaları için doğalgazdan (yani metandan) ve önemli bir enerji taşıyıcısı olan hidrojenden faydalanmamız lazım. Ama hidrojeni kullanabilmemiz için onu bir yerde depolayabilmemiz lazım. Yine MOF’lar burada bu gazları depolamak için çok önemli bir platform sunuyor.

İşin güzel tarafı konuk molekülün hep gaz olması da gerekmiyor. 2020’de yayınlanan bir çalışmada çöle götürülen MOF’un havadaki su buharını yakaladığı gösterildi.^[5]Xu, W. ve Yaghi, O. (2020) Metal–Organic Frameworks for Water Harvesting from Air, Anywhere, Anytime, ACS Central Science, Vol 6/Issue 8, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.0c00678  Sonra o su buharını sıvı olarak yani su olarak alıp kullanabilmek mümkün. Düşünün ki nemli havadan temiz içme suyu elde edebiliyorsunuz.

Başka çok faydalı olabilecek bir uygulamada MOF’ların içine ilaç molekülleri koyabiliyoruz. MOFları ilaç taşıyıcı olarak tasarlayabiliyoruz, bununla ilgili biyomedikal çalışmalar var.^[6]Sezgin, P., Gulcay-Ozcan, E., Vučkovski, M., Bondžić, A. M., Erucar, I., & Keskin, S. (2025). Biomedical Applications of Metal–Organic Frameworks Revisited. Industrial & Engineering Chemistry Research, 64(4), 1907–1932. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c03698

Kısacası bir gözenek içine hapsetmek istediğiniz konuk molekül varsa MOF’lar bunun için en uygun malzemeler gibi görünüyor. Konuk molekül derken o gözeneğin içine gidip durmayı sevecek bir molekülü kast ediyoruz.

Bunlar gerçekten dünyayı değiştirecek uygulamalar.

Her yeri MOFlarla kaplamak için neden bekliyoruz?

Küçük ölçekte bunları üretmek nispeten pratik. Bugün yüzbinlerce MOF’u laboratuvar ortamında birkaç gram üretebiliyoruz. Fakat egzozlara, bacalara eklemeye başlamak için öncelikle bu malzemelerin tonlar mertebesinde üretilmeye geçmesi gerekiyor.

Kimya mühendisliği dersinde hep şu örneği veririm: 3-4 kişilik pilavı güzel yaparım ama bana 50 kişilik bir pilav yap dendiğinde tutturamadığım olur. Çünkü ikisinin arasında ölçeklendirme farkı var, MOFları da birkaç gram üretmekle birkaç ton üretmek arasında fark var.  Bugün büyük ölçekte üretebilmeye doğru yani endüstrileşmeye doğru epey bir çalışma var.

Bir başka konu da MOFların bazılarının havada bulunan bazı moleküllerden etkilenip bozulması ve gözenekli yapılarını kaybetmeleri, kristal özelliklerini kaybetmeleri.  Güzel haber ise elimize çok malzeme var. Mutlaka ki daha dayanıklı olan, daha güçlü olan, daha kolay büyük ölçekte üretilen malzemeler çıkacak karşımıza.

MOF’ların günümüzde kullanılan uygulamaları

Endüstri ortamında artık prototipi geçmiş, üretilen, satılan, yani ticari olmuş MOFlar var. Bunlardan bazıları yine böyle zehirli gazları yakalamak için kullanılıyor. Su ve karbondioksit yakalayan teknolojileri kullanıma sunan bir şirketin kurucusu da 2025 Nobel Kimya Ödülünü alan araştırmacılardan Omar Yaghi.^[7]Atoco, http://atoco.com Bunlar henüz emekleme aşamasında olan küçük şirketlerin bir uygulamaya yönelik MOF üretmesi ile başlayan ticarileşmiş süreçler.

Ama tabii geleneksel malzemelerin yerini almaları, günlük hayatımıza girmeleri muhtemelen daha vakit alacak. Çünkü henüz oldukça genç bir teknoloji. Tahminimce önümüzdeki 10-15 sene içinde endüstride de daha çok görmeye başlayacağız.

MOF araştırma alanının geleceği

Her ne kadar alan baş döndürücü bir hızla gelişip farklı tekniklerin kesiştiği bir nitelik kazanmış olsa da, öğrenilecek çok şey var. Derinlemesine çalıştıkça, aslında ne kadar az bildiğimizi fark ediyor ve yeni sorularla karşılaşıyoruz. MOF’ların dayanıklılığı, büyük ölçekte sentezlenmesi, farklı koşullar altında (örneğin yüksek sıcaklık, basınç) kristal yapılarını korumaları sağlamamız gereken koşullar. Bu yüzden MOF araştırmalarının uzunca bir süre daha büyüme potansiyeli taşıdığını düşünüyorum.

Koç Üniversitesindeki MOF laboratuvarında neler oluyor?

Bir malzemenin bile laboratuvar ortamında çalışılması, çok iyi anlaşılması, uygulamaların iyice kavranması seneler sürebiliyor. Üstelik elimizde yüz binlerce malzeme var. Yani deneysel olarak bu malzemelerin hepsini çok çeşitli uygulamaların altında çalışmak çok zor. Bizim araştırma grubumuz da burada devrede giriyor.  Bu çok sayıda malzemeyi bilgisayar ortamında hızlı simülasyon dediğimiz teknikleri kullanarak çalışıp, tarayıp deneysel olarak hangilerinin çalışmaya daha uygun olduğunu çıkarıyoruz. Karbondioksit yakalamak mı istiyoruz? Moleküler düzeyde simülasyonları kullanarak hızlıca bakıp hangileri karbondioksit yakalamada daha iyi bunu söyleyebiliyoruz.  Aslında bu yaptığımız “hızlandırılmış malzeme keşfi”.^[8]accelarated material discovery

Bu filtrelemeyi nasıl yapıyoruz diye sorarsanız MOF’lara özel çeşitli simülasyon teknikleri geliştirdik. 2017’de aldığımız ERC^[9]European Research Council (ERC) – Avrupa Araştırma Konseyi fonu. projemizde MOF’ları atomik seviyede anlamayı sağlayacak, deneylerle doğrulanmış, moleküler modelleme teknikleri geliştirdik. Bu modelleme teknikleri MOF’lara özgü. Malzemeleri bilgisayar ortamında görüntülüyoruz ve içlerine konuk molekülleri yerleştirip konuklarla etkileşimlerini anlıyoruz. Etrafımızdaki her şeyi atomik seviyede görmeye ve atomlar arası etkileşimlerin gerçek bir uygulamadaki performansa nasıl yansıdığını anlamaya ve sonra geri gidip yeni sentezlenecek malzemelerde bu özellikleri yakalamaya çalışıyoruz.

Senelerdir moleküler modelleme ile MOFları araştırıyoruz, ama artık çalışmamız gereken MOF sayısı ve uygulama sayısı o kadar arttı ki her malzeme ve her uygulama için farklı koşullarda simülasyon yapmak demek. Bu da trilyonlarca simülasyon yapmak anlamına geliyor ama bunun için yeterli zaman ve kaynak asla olmayacak – çünkü malzeme sayısı devamlı artıyor.  Bu nedenle 2023’te aldığımız ikinci ERC fonuyla, yapay zekâ ile simülasyonları kendi öğrenip saniyeler içinde bize malzemenin performansı hakkında bilgi sunan araçlar geliştiriyoruz.

Nobel ödülü ardından

MOF’ların Nobel ödülü aldığı bu günlerde okuduğumuz her yazıda, Nobel Ödülü kazanan üç araştırmacının MOF’ları geliştirerek dünyamızın en büyük sorunlarına nasıl kapsamlı çözümler sunduklarını, sıfırdan nasıl yepyeni bir bilim alanı yarattıklarını görüyoruz. Ama bence bundan da önemlisi, bu kişilerin hayat hikayeleri ve karakteri ile çok özel oluşları.  Bu ödülü paylaşan üç bilim insanından ikisini yakından tanıma fırsatım oldu. Özellikle Omar Yaghi’nin hikâyesi çok ilham verici. Nobel Ödülü’nü aldıktan sonraki ilk röportajında, ailesinin göçmen oluşundan, anne ve babasının neredeyse okuma yazma bilmemesinden ve kalabalık bir aileyle küçük bir odada büyüdüğünden bahsedip şu cümleyle bitirmişti:

Belki de tam da bu yüzden, inanılmaz mütevazı, paylaşımcı ve genç bilim insanlarını yüreklendiren bir karaktere sahip. Üç yıl önce kendisine bir e-posta atıp “umarım bu Çarşamba günü Nobel Ödülü aldığınızı görürüz” yazmıştım. Bu yıl ödül açıklandığında bana hemen bir cevap yazdı. Düşünün, Nobel kazanmış bir insan, muhtemelen binlerce mesaj arasında üç yıl önceki bir e-postayı hatırlayıp cevap veriyor. Bu bile onun ne kadar zarif ve alçakgönüllü biri olduğunu gösteriyor.

Seda Keskin Avcı
Koç Üniversitesi, Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü
Nanomaterials, Energy, and Molecular Modeling Research Group (NEMO)
Bilim Akademisi üyesi