פרס נובל בכימיה יוענק לשלושה מחלוצי הכימיה הרטיקולרית – ענף של כימיה חדשה המאפשרת לייצר מסגרות אורגנו מתכתיות שיש להן יישומים רבים. הפרס יחולק באופן שווה בין הכימאי יליד ירדן עומר יאגי (Yaghi), כיום מאוניברסיטת ברקלי בקליפורניה; ריצ’רד רובסון (Robson) מאוניברסיטת מלבורן באוסטרליה וסוסומו קיטגאווה (Kitagawa) מאוניברסיטת קיוטו ביפן.
שלושת החוקרים פיתחו דרכים לייצר מולקולות בעלות שלד של שרשראות פחמן, שבתוכו משבצים יוני מתכת, המשמשים מעין אבני פינה לשלד הגדול. זה מאפשר ייצור של חומרים נקבוביים, בעלי יכולת מגוונות ללכוד ולהכיל חומרים מסוימים לפי דרישה וכן מאפשר לחוקרים לשלוט בתכונות אחרות של החומר כמו הולכת חשמל או היכולת שלהם לזרז תגובות כימיות. לחומרים האלה יש שימושים רבים בתעשייה, במחקר, בהנדסה ועוד.
חומרים נקבוביים
כימיה רטיקולרית שואלת כיצד לבנות חומרים חדשים מתוך יחידות בסיס שאינן מולקולות בודדות אלא מסגרות גבישיות? מדובר בחומרים שמצד אחד הם אורגניים, כלומר בעלי שלד המורכב משרשראות של אטומי פחמן, ומצד שני מכילים מתכות. חומרים אלה הם בעלי תכונות ייחודיות של חוזק ונקבוביות. ההשראה לחומרים אלה הגיעה מזאוליטים (Zeolites), מינרלים המסודרים בצורה של מסגרות מחזוריות.
הראשון לעסוק בשאלה זו היה ריצ’רד רובסון. הוא נולד ב-1937 בגלוסבורן שבבריטניה, וב-1962 קיבל תואר דוקטור מאוניברסיטת אוקספורד. כיום הוא פרופסור באוניברסיטת מלבורן, אוסטרליה.
כשהיה מרצה צעיר, ביקש להכין לסטודנטים מודלים של מולקולות מכדורי עץ ומקלות. כשהביט בדגמים הבין שהחורים בכדורים, שמייצגים את זוויות הקשרים של האטומים, מכילים מידע עצום: הם מכתיבים את הדרך שבה החומר נבנה. הרעיון הפשוט הזה הוליד שאלה חדשה – מה יקרה אם ננצל את תכונות הקישור של האטומים כדי להרכיב מבנים מסודרים ממולקולות שלמות?
כעבור כמה שנים העז רובסון לנסות. ב-1989 הוא חיבר יוני נחושת עם מולקולות “ארבע־זרועיות” בעלות קבוצות ניטריל שנמשכות אל המתכת. בניגוד לציפיות, התוצאה לא הייתה תערובת אקראית אלא גביש מסודר בעל חללים גדולים – שלד גבישי חלול. זה היה הצעד הראשון בדרך לארכיטקטורה מולקולרית חדשה. עם זאת, הוא היה חומר בלתי יציב, וקרס בקלות.
רובסון קיבל השראה ממבנה היהלום, שבו כל אטום פחמן קשור לארבעה אטומים אחרים בצורת פירמידה וייצר גביש מרווח ומסודר מאוד. איור: אתר פרס נובל, The Royal Swedish Academy of Sciences
חומרים חסרי תועלת
את השלבים הבאים בעבודה סיפקו יאגי וקיטגאווה בעבודות נפרדות, ופיתחו דרכים לחיזוק והגמשת החומרים האלה, שנקראים מסגרות אורגנו-מתכתיות, או בקיצור MOFs.
סוסומו קיטגאווה נולד בשנת 1951 בקיוטו שביפן והשלים את לימודי הדוקטורט שלו בשנת 1979 באוניברסיטת קיוטו. הוא עבד באוניברסיטת קינדאי וב-1992 מונה לפרופסור לכימיה אורגנית באוניברסיטת טוקיו. ב-2007 הקים מכון לחקר החומרים שכעבור כמה שנים הפך למנהלו. כיום הוא פרופסור באוניברסיטת קיוטו.
קיטגאווה נודע בתפיסתו שגם דברים חסרי תועלת יכולים להתגלות כבעלי ערך. בתחילת שנות ה־90 הוא ייצר חומרים נקבוביים דקים אך שבריריים, שלא עוררו עניין רב. הוא התעקש להמשיך – וב־1997 הצליח להפיק גבישים תלת־ממדיים יציבים המבוססים על יוני מתכות כמו קובלט, ניקל ואבץ, שחוברו למולקולות המורכבות מטבעות פחמן ומכונות מולקולות דו־פירידיניות. במבנים הללו נוצרו תעלות פתוחות שספחו ושחררו גזים כמו חמצן, חנקן ומתאן – בלי לשנות את צורת המבנה הכללי.
שנה לאחר מכן פרסם קיטגאווה מאמר שבו הגדיר לראשונה את היתרונות של המסגרות האורגנו-מתכתיות ואת הפוטנציאל הגלום בגמישות שלהן. הוא תיאר כיצד אפשר לתכנן חומרים “נושמים” כאלה שמתרחבים ומתכווצים בהתאם למולקולות שבתוכם – וכך סלל את הדרך לדור חדש של חומרים רכים ודינמיים, המסוגלים להתאים את עצמם לסביבתם.
קיטאגאווה טען שניתן להפוך את המסגרות האורגנו-מתכתיות לגמישות. כיום קיימים מספר רב של מסגרות אורגנו-מתכתיות גמישות שיכולים לשנות צורה, למשל כאשר הם מתמלאים או מרוקנים מחומרים שונים. איור: אתר פרס נובל, The Royal Swedish Academy of Sciences
הילד מהספרייה בעמאן
עומר מוונס יאגי (יאע’י) נולד ב-1965 בעמאן בירת ירדן, בן למשפחה פלסטינית מרובת ילדים. בילדותו גדל בבית ללא מים זורמים וחשמל סדיר. הוא נחשף לעולם הכימיה במקרה – כשהציץ בספר על מולקולות בספריית בית הספר, והתמונות שבו ריתקו אותו. בגיל 15 עזב בעידודו של אביו את ביתו ונסע לארצות הברית, בעקבות אחיו שכבר גם שם. הוא השלים שם לימודי קולג’ ותואר ראשון, ובגיל 25 כבר סיים את לימודי הדוקטורט בכימיה באוניברסיטת אורבנה-שמפיין באילינוי.
יאגי הקדיש את הקריירה שלו בעיקר לשאלה אחת: האם אפשר לתכנן חומרים באותה שיטה שבה מתכננים מבנים הנדסיים? הוא זה שטבע בשנות התשעים את המונח מסגרות אורגנו-מתכתיות, והציג את המבנים הראשונים – רשתות דו־ממדיות יציבות שנבנו מחיבור יוני מתכת למולקולות אורגניות.
בשנת 1999, יאגי יצר את החומר MOF-5, חומר יציב במיוחד, המורכב מקוביות חלולות . גרמים בודדים יכולים להכיל שטח של מגרש כדורגל. איור: אתר פרס נובל, The Royal Swedish Academy of Sciences
ב־1999 יצר את MOF-5, חומר קל ויציב במיוחד המורכב מקוביות חלולות בעלות שטח פנים עצום, כך ששטח הפנים של כמה גרמים ממנו גדול משטחו של מגרש כדורגל. החללים הרחבים הללו מאפשרים ללכוד גזים ולאחסן מולקולות בצורה מבוקרת. התגלית הוכיחה לראשונה שאפשר לבנות חומרים בעלי מבנה מדויק מראש, והניחה את היסוד לתחום חדש – “כימיה רשתית” (reticular chemistry) – שמאפשרת לעצב חומרים בדיוק אדריכלי, אטום אחר אטום.
יאגי קיבל במשך השנים פרסים רבים על עבודתו, וב-2018 הוענק לו פרס וולף, הפרס הישראלי היוקרתי שנחשב “מנבא” של פרסי נובל, וביקר בישראל לקבלת הפרס שמוענק במשכן הכנסת.
“עומר ביקר בישראל ב-2017 ונתן הרצאות באוניברסיטת תל אביב”, סיפר פרופ’ יורם כהן, חוקר חומרים סופראמולקולריים מאוניברסיטת תל אביב לאתר מכון דוידסון (גילוי נאות: כותבת שורות אלה הייתה תלמידת מחקר שלו). “הוא איש צנוע ונחמד ביותר שלא ‘מחזיק מעצמו’. באחת השיחות בינינו הצעתי לו להיכנס למגרש של הגדולים ולהגיש את מועמדותו לפרס וולף, שנחשב לשני בחשיבותו אחרי פרס נובל לכימיה. עומר לא השתכנע בקלות ולאחר שהתייעצתי עם אחד מזוכי הפרס בעבר, שקבע מיד שמדובר במועמד ראוי ביותר – נמניתי עם הממליצים עליו. בשנה שלאחר מכן הוא אכן זכה בפרס והגיע לקבלו בארץ”.
החומרים שפיתח מאפשרים בין השאר להפיק מים מהאוויר באזורים יבשים. יאגי עם נשיא המדינה, ראובן ריבלין, בעת קבלת פרס וולף בכנסת ב-2018 | צילום: קרן וולף
חומרים לכל מטרה
מאז פותחו עשרות אלפי חומרים ממשפחת ה־MOFs, וכל אחד מהם תוכנן למטרה שונה. בזכות המבנה החלול והמדויק שלהם, הם מסוגלים לאגור, להפריד או ללכוד מולקולות לפי מידה – כמו מערכת סינון חכמה בגודל של ננו־מטרים.
חלקם משמשים לחקר פתרונות אנרגיה ירוקה: גבישים שמסוגלים לאחסן גזים קלים כמו מימן ומתאן בצורה בטוחה ויעילה, מה שיכול בעתיד לאפשר שימוש נרחב יותר בדלקים נקיים. היישומים של MOFs אחרים מתמקדים באתגרי האקלים והסביבה – חומרים המסוגלים ללכוד פחמן דו־חמצני מגזי הפליטה של תחנות כוח, לספוג מזהמים עמידים במיוחד ממי שתייה ולפרק שאריות של אנטיביוטיקות וחומרים רעילים.
מעבדתו של יאגי הדגימה ב-2017 את אחד היישומים המרשימים ביותר: גביש שמצליח “לקצור” מים ישירות מאוויר המדבר. בלילה, כשהלחות עולה, הוא סופח אדי מים, ובבוקר, כשהשמש מחממת אותו, הוא משחרר טיפות מים נקיים לשתייה. מערכת ניסיונית המבוססת על החומר הזה כבר נוסתה בשטח, ומדענים רואים בה מודל לפתרונות עתידיים באזורים יבשים מאוד.
במילים פשוטות, כל MOF הוא כמו דירה מולקולרית מתוכננת מראש – חלל זעיר שתוכנן בדיוק לגודל ולצורה של המולקולות שייכנסו אליו. עיצוב החומרים ברמה הזו מאפשר להפוך את הכימיה ממדע של תגובות בלתי צפויות לאמנות של תכנון מדויק. ההישגים של רובסון, קיטגאווה ויאגי הראו שאפשר “לעצב” חומר לפי צרכים מוגדרים, וליצור מרחבים חדשים בתוכו – חדרים זעירים שבהם מתרחשות תגובות מדודות ומדויקות. בעידן שבו האנושות מחפשת דרכים לאגור אנרגיה נקייה, להפיק מים ולהפחית פליטות, אותם חדרים מולקולריים עשויים להתברר כנדל”ן הכימי היקר ביותר של המאה ה־21.
אדריכלות כימית. ההכרזה על חתני פרס נובל בכימיה ומסיבת העיתונאים המלאה:
שבוע של נובל
שלשום הוכרז כי פרס נובל ברפואה יוענק השנה למרי ברונקוב (Brunkow), פרד רמסדל (Ramsdell) ושימון סקגוצ’י (Sakaguchi), על גילוי המנגנון שמונע מתאי T לתקוף את הגוף, כפי שקורה במחלות אוטואימוניות.
אתמול הודיעה ועדת הפרס כי הפרס בפיזיקה יוענק השנה לג’ון קלרק (Clarke), מישל דבורה (Devoret) וג’ון מרטיניס (Martinis), על הגילוי כי מערכת שבה פועלים חלקיקים גדולים יכולה להתנהג בתנאים מסוימים כמו מערכת קוונטית, ולקיים תופעות כמו מנהור קוונטי, שבה חלקיקים מתנהגים כמו גל ועוברים מבעד למחסום פיזי. הגילוי סלל את הדרך לפיתוח וייצור של מערכות הצפנה, חיישנים ובימינו גם מחשבים קוונטיים.
מחר (חמישי) תהיה ההכרזה על הזוכה בפרס נובל בספרות, וביום שישי יוכרזו באוסלו חתני פרס נובל לשלום. שבוע הנובל יינעל ביום שני, עם ההכרזה על מקבלי הפרס בכלכלה על שם אלפרד נובל.
8 אוקטובר 2025 
6 דקות 
