Penjelasan Mengapa Penemuan Kerangka Logam-Organik dapat Memenangkan Hadiah Nobel Kimia 2025

Hadiah Nobel Kimia tahun 2025 dianugerahkan kepada Susumu Kitagawa, dari Universitas Kyoto di Jepang, Richard Robson, dari Universitas Melbourne di Australia, dan Omar Yaghi, dari Universitas California, Berkeley di Amerika Serikat atas karya mereka tentang kerangka logam-organik atau Metal-Organic Frameworks (MOF).

Namun, apa sebenarnya MOF itu? Dan apa yang sebenarnya dilakukan para pemenang? Berikut adalah jawaban atas beberapa pertanyaan kunci tentang penghargaan tahun ini.

Apa itu kerangka logam-organik?

Dikutip dari Chemistry World, Metal-Organic Frameworks (MOF) adalah material di mana ion logam dihubungkan bersama oleh molekul organik dalam pola berulang yang teratur untuk menciptakan jaringan 3D. Yang penting, di ruang antara simpul logam dan molekul yang menghubungkannya, terdapat rongga besar yang membuat material tersebut sangat berpori. Dalam wawancara dengan Chemistry World pada tahun 2017, Yaghi menjelaskan bahwa hanya satu gram MOF dapat memiliki luas permukaan internal yang kira-kira setara dengan dua lapangan sepak bola Amerika.

Hal ini membuat MOF lebih menyerap daripada material berpori lainnya seperti zeolit ​​dan silika mesopori. Dan fitur inilah yang memunculkan sebagian besar aplikasi terpenting MOF.

Dengan menggunakan logam yang berbeda dan mengubah jenis serta panjang penghubung organik, struktur MOF dapat disesuaikan untuk membuat pori-pori lebih besar atau lebih kecil, atau untuk menggabungkan gugus fungsional yang berbeda, yang akan membuat MOF lebih baik dalam mengikat molekul tamu tertentu. Ini berarti bahwa MOF dapat dioptimalkan untuk digunakan dalam hal-hal seperti penyimpanan gas , atau berbagai bentuk filtrasi , atau dalam penangkapan karbon . Pori-pori juga dapat dirancang untuk mendorong jenis kimia tertentu, yang berarti bahwa MOF juga telah digunakan dalam katalisis , elektrokimia , dan pencitraan berbasis fluoresensi .

Mengapa MOF layak mendapatkan Hadiah Nobel?

Selama pengumuman Nobel , ketua Komite Nobel untuk Kimia, Heiner Linke, menggambarkan 'potensi luar biasa' MOF yang dapat membuka 'peluang yang sebelumnya tidak terduga untuk material yang dibuat khusus dengan fungsi baru'.

MOF pertama Robson disintesis pada tahun 1989 (meskipun ia menyebutnya 'polimer koordinasi' atau 'kerangka polimer tak terbatas'), sementara karya Yaghi dan Kitagawa pada tahun-tahun berikutnya membantu mendefinisikan dan mengembangkan konsep intinya. Sejak itu, bidang ini berkembang pesat – pada awal tahun 2000-an, hanya beberapa lusin makalah penelitian tentang MOF yang diterbitkan setiap tahun; tahun lalu hampir ada 10.000. Dan ribuan struktur MOF baru dilaporkan setiap tahun, dengan lebih dari 100.000 yang dilaporkan hingga saat ini . Dengan upaya penelitian yang intensif ini, banyak perusahaan telah didirikan yang berupaya mengkomersialkan MOF untuk berbagai macam penggunaan.

Dari sudut pandang fundamental, MOF juga mewakili pergeseran konseptual dalam hal cara para ahli kimia mendesain material baru. Alih-alih hanya memodifikasi gugus individual pada molekul, atau menghubungkannya secara linier untuk membentuk polimer, MOF menawarkan kemampuan untuk secara terkontrol menciptakan struktur 3D yang jauh lebih besar, luas, dan terbuka untuk mengoptimalkannya untuk fungsi tertentu.

Apa yang dilakukan para peraih penghargaan Nobel?

Pada tahun 1980-an, Robson memutuskan untuk mencoba menciptakan varian sintetis yang lebih besar dari struktur jaringan berlian yang terkenal. Alih-alih atom karbon yang terhubung secara tetrahedral, Robson akan menggunakan ion tembaga dan molekul organik dengan empat 'lengan'. Dalam sebuah wawancara pada tahun 2019 , ia mengingat bahwa, pada saat itu, sebagian besar ahli kimia akan mengira bahwa campuran ini akan menghasilkan 'sarang burung yang kusut'.

Namun, eksperimen Robson berhasil, menghasilkan struktur kristal yang teratur dan berulang – persis seperti yang telah ia prediksi. Ketika Robson dan kolaboratornya, Bernard Hoskins, mempublikasikan temuan mereka , mereka menggambarkan material tersebut sebagai 'contoh pertama dari kerangka tak terbatas yang dirancang dan dibangun secara sengaja'.

Robson menyadari bahwa jauh lebih banyak varian dapat dibuat menggunakan prinsip desain ini.

Pada tahun-tahun berikutnya, Yaghi dan Kitagawa memberikan kontribusi penting yang membantu mendefinisikan bidang kimia baru ini dan mengeksplorasi bagaimana material-material ini dapat memiliki kegunaan praktis yang nyata.

Pada tahun 1995, Yaghi menciptakan istilah 'kerangka logam-organik' ketika melaporkan MOF baru, yang berbasis kobalt dan penghubung karboksilat, yang dapat mengikat molekul piridin secara selektif. Ia menunjukkan bahwa material tersebut sangat stabil dan mampu menyerap, melepaskan, dan menangkap kembali molekul tamu selama beberapa siklus.

Pada tahun 1999, Yaghi memperkenalkan apa yang sekarang menjadi salah satu material paling terkenal di bidangnya: MOF-5. Tim tersebut memperkirakan luas permukaan internal MOF berbasis seng ini sangat besar, yaitu 2900 m² per gram material. Studi-studi penting setelah itu menunjukkan bagaimana keluarga MOF dapat dirancang secara rasional untuk menyesuaikan ukuran pori-porinya . Yaghi menyebut pendekatan ini sebagai 'kimia retikular'.

Terobosan besar Kitagawa juga terjadi selama tahun 1990-an. Pada tahun 1997, ia merancang material MOF berbasis kobalt, nikel, dan seng, yang diselingi oleh saluran terbuka. Material ini dapat menyerap dan melepaskan gas seperti metana, nitrogen, dan oksigen, tanpa kehilangan strukturnya.

Kitagawa juga mengembangkan MOF fleksibel, material dinamis yang dapat mengubah strukturnya dan menawarkan fungsionalitas baru sebagai respons terhadap tekanan, suhu, dan cahaya.

MOF digunakan untuk apa?

Penerapan MOF telah menjadi jelas selama dua dekade terakhir. Misalnya, kelompok Yaghi telah mengembangkan material yang secara selektif mengikat molekul air, memungkinkan mereka untuk menangkap kelembapan dari udara gurun . Kemampuan mereka untuk mengikat molekul gas kecil juga telah membuat MOF banyak diteliti untuk digunakan dalam penyimpanan gas dan penangkapan karbon dioksida . Kelompok lain telah berupaya menggunakan MOF untuk menangkap zat per- dan polifluoralkil dari air yang terkontaminasi .

Mereka juga menginspirasi proyek-proyek lain yang lebih esoteris, termasuk MOF origami yang luar biasa ini dan desain-desain indah yang menyerupai mosaik dari Istana Alhambra.

Sejumlah perusahaan kini mengkomersialkan MOF. Pada tahun 2016, sebuah perusahaan Inggris bernama MOF Technologies, yang sekarang bernama Nuada, meluncurkan produk yang dirancang untuk memperpanjang umur buah dan sayuran dengan menyimpan dan melepaskan secara perlahan senyawa yang mengatur pertumbuhan tanaman. Pada tahun yang sama, perusahaan rintisan AS NuMat meluncurkan lini tabung gas yang menggunakan MOF untuk menyimpan gas beracun yang digunakan dalam industri elektronik dengan aman.

Mungkin salah satu kisah sukses terbesar adalah MOF CALF-20, yang telah dikomersialkan oleh perusahaan Kanada Svante dalam teknologi penangkapan karbonnya . MOF ini dapat menghilangkan karbon dioksida dari gas buang di cerobong asap fasilitas industri.

Raksasa teknologi AS, Meta, baru-baru ini melatih AI pada 15.000 struktur MOF yang sudah dikenal untuk mencoba mengembangkan material baru yang dapat menangkap karbon dengan lebih efisien. Pendekatan ini juga diyakini Yaghi akan mempermudah pencarian MOF terbaik untuk berbagai aplikasi, setelah baru-baru ini mengatakan kepada Nature bahwa 'dengan menggunakan LLM dan alat AI, kita dapat mempercepat penemuan dari bertahun-tahun menjadi beberapa minggu'.