Baanbrekend materiaalkundig team bij UL wint prijs voor Nobelprijs-samenwerking

Het onderzoeksteam richt zich op urgente mondiale uitdagingen op het gebied van energieduurzaamheid, opslag en opvang.

Een groep onderzoekers van het Bernal Instituut van de Universiteit van Limerick (UL) heeft de Academic Collaboration Award ontvangen van het SSPC Research Ireland Centre for Pharmaceuticals voor hun langdurige samenwerking met professor Susumu Kitagawa van de Universiteit van Kyoto, winnaar van de Nobelprijs voor de Scheikunde van dit jaar.

Prof. Michael Zaworotko, prof. Soumya Mukherjee en prof. Matthias Vandichel en hun groepen werden bekroond voor hun onderzoek naar metaal-organische raamwerken (MOF's) met Kitagawa en zijn groep.

Kitagawa won de Nobelprijs samen met prof. Omar Yaghi en prof. Richard Robson voor hun ontwikkeling van MOF's, een nieuwe klasse materialen die een revolutie teweeg hebben gebracht op het gebied van kristaltechniek.

Kristaltechniek heeft tot doel nieuwe materialen te ontwikkelen door te kijken naar de moleculaire bouwstenen van kristallen: vaste materialen met zeer geordende rangschikkingen van moleculen, ionen of atomen. Kristallen kunnen van nature voorkomen, voorbeelden zijn diamanten en sneeuwvlokken, en kunnen synthetisch worden geproduceerd. Bijna alle metalen, keramiek en halfgeleiders zijn kristallen. Door hun voorspelbare eigenschappen zijn het ongelooflijk bruikbare materialen om mee te werken.

MOF's zijn een klasse kristallen waarin metaalionen in een regelmatig patroon door organische moleculen met elkaar zijn verbonden om een ​​3D-netwerk te creëren dat zeer poreus is. Door verschillende metalen te gebruiken en het type en de lengte van de organische linkers te veranderen, kunnen MOF's worden ontwikkeld voor verschillende toepassingen, zoals medicijnafgifte, duurzame energieopslag, koolstofafvang en het opvangen van atmosferisch water.

Naast de Nobelprijswinnaars wordt Zaworotko van UL ook erkend als een pionier op dit gebied. Hij publiceert onderzoek net nadat Robson dat voor het eerst deed in 1989. Hij wordt beschouwd als de vader van een bepaalde klasse MOF's, hybride ultramicroporeuze materialen (HUM's), die geweldige gassorptie- en scheidingseigenschappen hebben, waardoor ze bruikbaar zijn voor toepassingen zoals waterstofopslag, koolstofafvang en luchtzuivering.

Zaworotko vertelde SiliconRepublic.com dat hij Nobelprijswinnaar Kitagawa al sinds de jaren negentig kent, maar dat hun samenwerking pas begon toen hij in 2013 een functie bij UL aannam. Hier begon hij zich te concentreren op flexibele sorptiemiddelen, een klasse materialen waar Kitagawa een pionier in was.

“Deze materialen ademen in feite wanneer ze worden blootgesteld aan hitte, licht of gas/damp, wat een aantal speciale eigenschappen oplevert voor de scheiding en opslag van vluchtige grondstoffen”, aldus Zaworotko.

De samenwerking werd “gekatalyseerd”, zei Zaworotko, toen twee van zijn promovendi zich als postdoctorale fellows bij Kitagawa's groep voegden.

“Teamwerk is altijd een lonende en effectieve manier om onderzoek te doen, maar als je de meest urgente mondiale uitdagingen wilt aanpakken, is het een vereiste”, aldus Zaworotko.

“Deze situatie wordt veroorzaakt door de inherente complexiteit en interdisciplinariteit die nodig is om koolstofafvang, waterzuivering en betere/goedkopere medicijnen aan te pakken, waarbij ontwrichtende oplossingen het ontwerp en het testen van een nieuwe generatie betere, goedkopere en groenere materialen vereisen.”

Deze maand publiceerde het samenwerkingsteam een ​​artikel over waterwinning.

Vandichel van UL, een computationeel chemicus en chemisch ingenieur, legde uit dat zijn team voor dit nieuwe onderzoek hybride computationele raamwerken ontwikkelde om het gassorptiegedrag van flexibele poreuze materialen beter te begrijpen.

Hij legde uit dat voor dit onderzoek de veelgebruikte Monte Carlo-simulaties beperkt zijn in nauwkeurigheid. “We hebben aangetoond dat onze hybride computationele aanpak de enige methode was die in staat was om het adsorptiegedrag in een flexibele MOF nauwkeurig vast te leggen.”

De groep van Vandichel werkt nu samen met prof. Sousa Javan Nikkhah van de Maynooth Universiteit aan het verbeteren van deze nieuwe methode.

Javan Nikkhah, een computationeel onderzoeker, legde uit dat de volgende stap het integreren van ‘machine-aangeleerde interatomaire mogelijkheden’ is, dat wil zeggen computermodellen die zijn getraind om te voorspellen hoe atomen met elkaar omgaan. “Dit zal zowel de nauwkeurigheid als de rekenefficiëntie (van de methode) aanzienlijk verbeteren”, zei ze.

Volgens Javan Nikkhah is het doel op langere termijn voor de onderzoeksgroep het ontwikkelen van schaalbare, voorspellende simulaties die het ontwerp van flexibele MOF's kunnen begeleiden voor toepassingen zoals gasscheiding, energie- en milieutechnologieën.

Vandichel zei dat Zaworotko “een sfeer creëert voor uitmuntend onderzoek” bij het Bernal Instituut.

“Door samen te werken met vooraanstaande onderzoekers, zoals prof. Kitagawa en prof. Zaworotko, kun je in de voorhoede van het MOF-onderzoek werken”, zei hij.

“Dit daagt mijn groep ook uit om nieuwe computationele methoden te ontwikkelen om hun talrijke toepassingen te beschrijven, en zo de kloof te overbruggen tussen de kristallen uit de echte wereld en de moleculaire modellen en computationele methoden die we gebruiken om deze materialen te beschrijven.”

'Nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek'

Op dezelfde manier zei Mukherjee, een materiaalchemicus bij UL, dat er een “gedeelde geest van innovatie” bestaat onder de groepen die aan dit onderzoek samenwerken. “Ik ben enthousiast over de synergieën tussen onze laboratoria.”

Mukherjee, die Zaworotko en Kitagawa omschreef als “beide reuzen in het veld”, herinnerde zich zijn eerste samenwerking met het team van Kitagawa toen hij postdoctoraal onderzoek deed aan de UL. Het project, dat culmineerde in een publicatie uit 2020, bracht vooruitgang op het gebied van gasscheidingen, legde hij uit.

“(Het) versterkte ook mijn zelfvertrouwen als onderzoeker: ik was niet langer alleen maar een student in het publiek, maar een bijdragende collega naast mijn rolmodel.”

Mukherjee werd onlangs door Kitagawa uitgenodigd om een ​​onderzoeksseminarie te geven aan de Universiteit van Kyoto. Na de lezing praatten de twee mannen in Kitagawa's kantoor over komende onderzoeksprojecten, en de MOF-pionier bood Mukherjee zijn inzichten aan over enkele uitdagingen waarmee hij wordt geconfronteerd bij het ontwerpen van waterstabiele MOF's. Mukherjee verliet het kantoor met het gevoel gesteund te worden door zijn senior collega.

Het bleek dat Kitagawa al de volgende dag werd uitgeroepen tot Nobelprijswinnaar in de scheikunde. “Ik was op zijn zachtst gezegd dolblij”, zei Mukherjee.

De Nobelprijs is een te late erkenning voor baanbrekend werk op het gebied van MOFs, zei hij, maar het is ook “een overwinning voor nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek”. Mukherjee legde uit dat een van Kitagawa's leidende filosofieën is dat 'zelfs nutteloze dingen nuttig kunnen worden'.

“De essentie is dat we een onderzoeksidee niet moeten afwijzen alleen maar omdat het op dit moment geen duidelijke resultaten oplevert,” zei hij.

“Prof. Kitagawa's carrière is een bewijs van dit motto; hij streefde naar poreuze raamwerken in een tijdperk waarin veel scheikundigen dachten dat dit academische curiosa waren. Sommige vroege MOF's waren inderdaad onstabiel en ogenschijnlijk onpraktisch, en financieringsinstanties waren sceptisch.”

Kitagawa hield echter vol uit wetenschappelijke nieuwsgierigheid en die “nutteloze” wetenschap bleek uiteindelijk ongelooflijk nuttig”.

“Deze les blijft de kern van hoe ik onderzoeksproblemen benader: wees ruimdenkend en geduldig, want het niche-experiment van vandaag kan de doorbraak van morgen zijn.”

'Beter, groener, goedkoper'

Zoals Mukherjee ontging, is er in het verleden enige kritiek geweest op MOF's. Deze materialen zijn veelbelovend gebleken in een onderzoeksomgeving, maar de transitie ervan naar industriële en commercieel levensvatbare toepassingen is een uitdaging gebleken.

“MOF’s hebben altijd beloofd uitzonderlijke eigenschappen te leveren die niet door andere materiaalklassen konden worden bereikt, en dat hebben ze in veel opzichten ook waargemaakt, althans op wetenschappelijk vlak”, zegt Zaworotko. “Commercialisering is een andere zaak.

“Mijn nieuwe favoriete motto is ‘beter, goedkoper, groener’ – we hebben ze alle drie nodig om grote problemen zoals waterzuivering, energieduurzaamheid en CO2-afvang op te lossen.”

Het onderzoek naar MOF’s is sinds de jaren 2010 geëxplodeerd en de erkenning van de Nobelprijs zal dit nog verder versnellen, denkt het team.

“De erkenning helpt nu al nieuwe onderzoekers aan te trekken, de interdisciplinaire betrokkenheid te versterken en meer investeringen van zowel publieke als industriële belanghebbenden te stimuleren”, aldus Javan Nikkhah.

Voor Zaworotko is het “niet de vraag of MOF’s de mondiale problemen zullen oplossen, het is waar en wanneer”.

En hij is ervan overtuigd dat deze doorbraken eerder vroeg dan laat zullen plaatsvinden.

“Als de juiste MOF (beter, goedkoper, groener) beschikbaar is, kan deze in relatief korte tijd, bijvoorbeeld een jaar of twee, commercieel worden geproduceerd en ingezet.”