مرد سازه‌های فلزی-آلی

برندۀ جایزۀ نوبل شیمی 202۵

مقدمه

سازه‌های فلزی-آلی (ام‌آاف)، به‌عنوان نسل جدید مواد هوشمند در فناوری‌های پایدار و صنایع نوین شیمیایی نقش کلیدی ایفا می‌کنند. پژوهش‌های فعلی بر بهبود پایداری و کارایی آن‌ها متمرکزند. این ترکیبات از گره‌هایی فلزی که معمولاً شامل یون‌های فلزی مانند Zn²⁺، Cu²⁺ و Fe³⁺ یا خوشه‌های فلزی هستند و لیگاندهای آلی نظیر اسیدهای کربوکسیلیک چندعاملی (مثل ترفالیک اسید) ساخته شده‌اند. یون‌های فلزی وظیفۀ پایدارسازی ساختار و ایجاد مرکزهای فعال برای واکنش‌ها را بر عهده‌دارند، در حالی که لیگاندهای آلی ساختار را گسترش داده‌اند.

سازه‌های فلزی-آلی، موادی متخلخل و کریستالی هستند که از یون‌ها یا خوشه‌های فلزی و لیگاندهای آلی (پیونددهنده‌ها) تشکیل شده‌اند. این مواد به دلیل ساختار منظم، سطح تماس ویژه بالا و تخلخل قابل تنظیم، در ذخیره‌سازی گازها و برخی مولکول‌های کوچک، کاتالیزگری، تهیه‌ انواع حسگرها، جداسازی و رهایش دارو کاربردهای گسترده‌ای دارند. یک شیمی‌دان زادۀ اردن، لقب مرد سازه‌های فلزی-آلی را در جهان از آن خود کرده است. در این مطالعه، با زندگی‌نامه این دانشمند مسلمان بیشتر آشنا می‌شوید.

کلیدواژه‌ها: سازه‌های فلزی-آلی، حسگر، رهایش دارو، عمر مونس یاغی، دانشمند اردنی، ام‌اف

مصاحبه با عمر مونس یاغی؛ مرد سازه‌های فلزی-آلی

عمر مونس یاغی مرد سازه‌های فلزی-آلی، که در حال حاضر در دانشگاه برکلی ایالت کالیفرنیا مشغول فعالیت است، پیش از شصتمین سالگرد تولدش دربارۀ زندگی علمی‌اش و زمینه‌های هیجان‌انگیز برای توسعهٔ علم شیمی در آینده صحبت کرده است. وی معتقد است که علم شیمی زمانی مفید است که بتواند راه‌حل‌های نوینی برای حل مشکلات بشری ارائه کند. در ادامه این مصاحبه را مطالعه کنید. این مصاحبه را همکار وی استفانی گرید انجام داده است.

اولین بار چه زمانی به علم شیمی علاقه مند شدید؟

من در امان، پایتخت اردن، به دنیا آمدم و در سن ده‌سالگی علاقه‌ام به شیمی را کشف کردم. به یاد دارم که هنگام بازدید از کتابخانه مدرسه، تصاویری از مولکول‌ها در یک کتاب پیدا کردم. نمی‌دانستم آن‌ها مولکول هستند، اما وقتی بیشتر یاد گرفتم، برای همیشه عاشق آن‌ها شدم. این قرار بود رسالت زندگی من باشد. در یک خانوادۀ متوسط با شرایط ساده زندگی بزرگ شدم و پدرم تشویقم کرد که از آموزش به‌عنوان راهی برای زندگی بهره استفاده کنم. در سن 1۵ سالگی، برای ادامه تحصیل به ایالات متحده رفتم و در نهایت دکترای شیمی گرفتم. عشق اولیه من به ساختارهای مولکولی، پایه‌ای برای علاقه بعدی من به شیمی شبکه‌ای و علم مواد شد.

چه چیزی الهام بخش شما برای ورود به دنیای دانشگاهی بود؟

وقتی در دانشگاه هاروارد به‌عنوان یک همکار پسادکترا در بنیاد ملی علوم (ان‌اس‌اف) فعالیت می‌کردم، خود را در یک دوراهی یافتم که آیندۀ من را شکل می‌داد: آیا باید یک حرفه را در صنعت دنبال کنم یا در دانشگاه؟ صنعت دستمزدی بسیار بالاتر داشت، اما اعداد همۀ داستان را نمی‌گفتند. در دنیای دانشگاهی، فرصتی داشتم تا چیزی واقعاً متعلق به خودم بسازم. آزمایشگاهی که در آن می‌توانستم ایده‌هایم را دنبال کنم، تحقیقاتی معنادار انجام دهم و دانشجویان را راهنمایی کنم. آن حس آزادی فکری برای کشف و نوآوری بر اساس شرایط خودم، در من شعله‌ور شد که تا امروز ادامه دارد.

این انتخاب آسانی نبود، به‌ویژه با تعهدم به حمایت از والدینم. مسیر دانشگاهی عملی به نظر نمی‌رسید، اما از درون حس می‌کردم که درست است. برای من، شور و شوق به کشف ناشناخته‌ها و کمک به یادگیری دیگران بیشتر از رفاه مالی اهمیت داشت. بنابراین، گامی بزرگ برداشتم و علاقه‌ام را به واقع‌بینی ترجیح دادم و هرگز پشیمان نشدم.

چگونه تصمیم گرفتید تحقیقات خود را روی شیمی شبکه‌ای و ساختارهای مرتبط به‌ویژه توسعۀ ام‌آاف‌ها متمرکز کنید؟

به‌عنوان یک دانشجوی دکترا، قصد داشتم یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های شیمی را برطرف کنم. چگونه مواد را با دقت طراحی کنیم؟ در آن زمان، فرایند ساختن ساختارهای گسترده را به شوخی «روش آزمون و خطا» می‌نامیدیم. شیمی‌دانان مواد اولیه را تا دماهای بسیار بالا، غالباً بیش از ۵00 درجه سانتی‌گراد، حرارت می‌دادند و فقط امیدوار بودند نتیجه‌ای خوبی به‌دست بیاورند. نتیجۀ این فرایند محصولاتی با ساختارهای غیرقابل‌پیش‌بینی بود که نمی‌شد پس از تولید آن‌ها را به‌مورد معنا‌داری اصلاح کرد.

این کمبود دقت برایم ناراحت‌کننده بود. من می‌خواستم ساختارهای بزرگ‌تری با فرم‌های خاص و قابل‌پیش‌بینی بسازم و حتی بعد از سنتز آن‌ها را تنظیم کنم. اما یک مانع اساسی وجود داشت، مشکل بلوری کردن (کریستالیزه‌کردن). در دماهای بالا، اتصال اجزای مولکولی با پیوندهای قوی معمولاً به محصولات بی‌شکل یا با قابلیت شناسایی ضعیف منجر می‌شد.

همه‌چیز در سال 199۵ تغییر کرد. ما شرایط واکنشی مناسب برای اتصال یون‌های فلزات واسطه با مولکول‌های کربوکسیلات باردار و تشکیل پیوندهای قوی بین فلز و این مولکول‌ها را کشف کردیم. این پیشرفت به ساختارهای بلوری (کریستالی) گسترده منجر شد و با آن عصری جدید در تهیه ساختارهای حالت جامد آغاز شد، ساختاری با تخلخل بسیار بالا که امکانات بی‌پایانی را ایجاد کرد. کار ما منجر به کشف ام‌آاف‌ها و جانشینان آن‌ها برای مشکلاتی که حتی در آغاز تصور نمی‌کردیم، شد.

این ساختار سه‌بعدی متخلخل علاوه بر داشتن حفره‌هایی با اندازۀ قابل‌تنظیم، سطح تماس ویژۀ بالایی دارند و می‌توانند گازهای هیدروژن و متان را در حفره‌های خود نگه دارند. از این روش برای تهیۀ سوخت‌های پاک پایدار نسل جدید استفاده می‌شود. همچنین می‌توانند با جذب کربن‌دی‌اکسید، از انتشار گازهای گلخانه‌ای بکاهند. استفاده از این سازه‌ها برای جذب بخارهای آب ناچیز موجود در هوای صحرا، روش نوینی برای تهیۀ آب در مناطق کویری و کم آب است.

با عبور مخلوط گازهای طبیعی حاوی متان، کربن‌دی‌اکسید و آن‌ها را از هم تفکیک کرد. از این روش حتی می‌توان در تصفیۀ آب و حذف آلاینده‌هایی مانند فلزات سنگین استفاده کرد. در اقدامی کاملاً مهندسی‌شده می‌توان اندازۀ حفره‌ها را برای مواد ویژه‌ای نظیر انواع سموم یا مواد منفجره تنظیم کرد که در این حالت یک حسگر کاملاً تخصصی برای شناسایی در اختیار خواهید داشت.

چه چیزی شما را در زمینه شرکت در صنعت و تجارت شگفت‌زده کرده است؟

از تجربۀ محدودم متوجه شدم که با وجود اهمیت نوآوری در علوم پایه، مهم‌تر از آن توانایی به‌کارگیری و تبدیل آن علم به چیزی کاربردی و ملموس است. یک کشف نوآورانه در آزمایشگاه تنها آغاز کار است؛ چالش واقعی در این است که چگونه پلی را بین نوآوری علمی و کاربردهای دنیای واقعی بسازیم. باید پرسید: این کشف چگونه مشکلی را حل می‌کند؟ چگونه می‌توان آن را به مقیاس بزرگ‌تر رساند، تولید کرد و در زندگی مردم به‌کار برد؟

همچنین یاد گرفته‌ام که بازار بر پایۀ یک قانون ساده اما عمیق عمل می‌کند: وقتی تعداد زیادی از مردم چیزی را بخواهند، لازم است که آن را به‌صورت مقرون‌به‌صرفه و در دسترس همگان قرار دهیم. تقاضا موجب نوآوری در طراحی محصول، بهره‌وری تولید، کاهش هزینه‌ها و گسترش تولید می‌شود. چیزی که ابتدا گران و دور از دسترس به نظر می‌رسد، اگر مردم کافی به آن علاقه‌مند باشند، می‌تواند رایج و قابل‌دسترس شود.

این درک جدید نحوۀ نگاه من به رابطه بین علم، صنعت و جامعه را تغییر داده است. این فقط در مورد ایجاد چیزی انقلابی نیست؛ بلکه دربارهٔ درک نیازهای افرادی است که از آن استفاده خواهند کرد و پیدا کردن راه‌هایی برای برآورده‌کردن مؤثر این نیازهاست. وقتی کشف علمی با تقاضا هماهنگ می‌شود، قدرت ایجاد تغییرات مهم و ملموس در زندگی مردم را دارد و آن‌وقت است که علم قدرت واقعی خود را نشان می‌دهد.

آیا شما راهکارهایی برای ارتباط مؤثر علم خود با افراد در حوزه‌های دانشگاهی، صنعت و فراتر از آن ایجاد کرده‌اید؟

توضیح و به اشتراک گذاشتن کشفیات علمی کار ساده‌ای نیست. دقت در انتقال اطلاعات علمی و در عین حال دستیابی به افراد زیادی به‌ویژه غیرمتخصصان همیشه یک چالش است. هر بار که تحقیقاتم را به اشتراک می‌گذارم، به این سؤال اساسی فکر می‌کنم: چرا باید افرادی که خارج از حوزهٔ من هستند اهمیت بدهند؟ و حتی مهم‌تر، چرا مردم عادی باید اهمیت بدهند؟

پاسخ به این سؤال‌ها اساس ارتباطات مؤثر علمی است. این کار مرا مجبور می‌کند که کارم را به‌گونه‌ای بیان کنم که با همۀ افراد همخوانی داشته باشد و ایده‌های پیچیده را بدون از دست‌دادن اصل آن‌ها ساده‌سازی کنم. این روش به من کمک کرده است تا پیام‌هام را طوری طراحی کنم که نه‌تنها قابل‌فهم، بلکه برای مخاطبان گوناگون معنادار باشد.

حوزه‌های هیجان‌انگیز برای تحقیقات آینده در این زمینه چیست؟

شیمی شبکه‌ای در آستانه یک دورهٔ تحول‌آفرین قرار دارد. توانایی آن در طراحی دقیق ساختارهای شیمیایی و مواد و حتی تغییرات پس از سنتز آن‌ها با همان سطح دقت، آینده‌ای را به ارمغان می‌آورد که در آن مواد خاص ساخته‌شده برای وظایف ویژه به یک استاندارد تبدیل خواهند شد.

من آینده‌ای را می‌بینم که در آن ادغام بی‌وقفه هوش مصنوعی و مدل‌های زبانی گسترده باعث سرعت‌بخشیدن به کشفیات می‌شود. این ابزارها تنها بهبوددهنده نیستند، بلکه کاتالیزگرهای اساسی هستند که ساختارهای پیچیده را با کارایی بی‌سابقه‌ای به عملکردهای هدفمند متصل می‌کنند. هم‌افزایی هوش مصنوعی و شیمی شبکه‌ای، قدرت تغییر نحوۀ طراحی، درک و استفادۀ ما از مواد را به همراه دارد.

در طول دوران حرفه‌ای خود چه تغییراتی در فرهنگ علم مشاهده کرده‌اید و فکر می‌کنید این روند چگونه ادامه خواهد یافت؟

در آزمایشگاه خود شاهد افزایش تقاضای دانشجویان برای نوین‌سازی شیمی، به‌ویژه ادغام هوش مصنوعی و رباتیک بوده‌ام. با درک این تغییر، اکنون ما ابزارهای پیشرفتهٔ هوش مصنوعی را با علم تجربی ترکیب می‌کنیم تا وظایف آزمایشگاهی را بهبود بخشیم و کشفیات را تسریع کنیم.

این تغییر اختیاری نیست، بلکه ضروری است. شیمی برای باقی‌ماندن در حوزهٔ علمی که به‌سرعت در حال پیشرفت است، باید به‌روز شود و رقابتی باقی بماند. روش‌های سنتی در حالی که پایه‌ای هستند، دیگر با دانشجویان امروزی هماهنگی ندارند و الهام‌بخش استادان خلاق نیستند. واقعیت واضح است، برای پیشرفت در آیندۀ پژوهشگران شیمی باید به‌طور کامل ابزارهای هوش مصنوعی را بپذیرند، ظرفیت آن‌ها را بهره‌برداری کنند و در این عرصۀ تحول‌آفرین مهارت پیدا کنند.

برای دانشمندان نسل بعدی چه توصیه‌ای دارید؟

بی‌باک باشید. وارد آزمایش شوید، حتی اگر احتمال موفقیت کم به نظر برسد. آزمایش جوهرۀ امید است، جرقه‌ای است که کشف را روشن می‌کند و نحوۀ فکرکردن، حل مشکلات و شکل‌دادن به آینده را تغییر می‌دهد. این قدرتمندترین ابزار پیشرفت بشریت است.

پیروی از دیگران را فراموش کنید یا به اصطلاح «دستورالعمل موفقیت» را دنبال کنید. دستاوردهای واقعی از راه‌های این و پیروی از مسیرهای دیگران به دست نمی‌آیند. در عوض، مسیر خود را طراحی کنید. از راه‌های متعارف فاصله بگیرید و از پرسش دربارۀ اصول ثابت‌شده در رشته خود یا به چالش کشیدن آنچه که پذیرفته شده است، نترسید. بهترین کشف‌ها غالباً فراتر از مرزهای آنچه ممکن به نظر می‌رسد، قرار دارند.