ศาสตราจารย์ซูซูมุ คิตางาวะ (Susumu Kitagawa) จากประเทศญี่ปุ่น และ ศาสตราจารย์โอมาร์ ยากี (Omar M. Yaghi) จากประเทศสหรัฐอเมริกา ทั้งสามคือผู้บุกเบิกการสร้างวัสดุที่เรียกว่า โครงข่ายโลหะอินทรีย์ (Metal–Organic Frameworks หรือ MOFs) วัสดุเหล่านี้คือผลึกระดับนาโนที่มี “ห้อง” หรือช่องว่างขนาดเล็กมหาศาลภายในหนึ่งหน่วยผลึก และห้องเล็ก ๆ เหล่านี้เองที่กำลังเปลี่ยนอนาคตของโลก — ตั้งแต่การดักจับคาร์บอนไดออกไซด์ การสกัดน้ำจากอากาศ ไปจนถึงการเก็บพลังงานไฮโดรเจน
• จุดประกายจากลูกบอลไม้ในห้องเรียน
ปี 1974 ที่มหาวิทยาลัยเมลเบิร์น ริชาร์ด ร็อบสัน เตรียมอุปกรณ์สาธิตโครงสร้างโมเลกุลให้ลูกศิษย์ดู เขาใช้ลูกบอลไม้แทนอะตอม แล้วเจาะรูให้แท่งไม้แทนพันธะเคมีเชื่อมต่อกัน ขณะที่เจาะรู เขากลับคิดขึ้นได้ว่า…
“รูแต่ละรูแทนพันธะที่มีทิศทางเฉพาะ แล้วถ้าเราเอาโมเลกุลทั้งโมเลกุลมาเชื่อมต่อกันล่ะ? จะสร้างโครงสร้างแบบใหม่ได้หรือไม่?”
ความสงสัยเล็ก ๆ นี้กลายเป็นจุดเริ่มของแนวคิดใหญ่ — การสร้าง “โครงสร้างผลึก” จากหน่วยของโลหะและโมเลกุลอินทรีย์เข้าด้วยกัน
สิบกว่าปีต่อมา เขาทดลองใช้ “ไอออนทองแดง (Cu⁺)” จับกับโมเลกุลอินทรีย์ที่มีแขนสี่แขน ซึ่งปลายแต่ละแขนมีหมู่ไซยาไนด์ที่สามารถยึดกับทองแดงได้ ผลลัพธ์น่าทึ่งมาก — แทนที่จะได้ของแข็งที่ไม่เป็นระเบียบ กลับได้ผลึกที่มีช่องว่างสม่ำเสมอภายใน คล้ายอาคารที่สร้างด้วยระเบียบทางคณิตศาสตร์ระดับอะตอม ร็อบสันได้สร้างสิ่งที่ต่อมาจะกลายเป็นรากฐานของวัสดุชนิดใหม่ที่เรารู้จักกันในวันนี้ว่า MOFs
• ประโยชน์ของสิ่งที่ดูไร้ประโยชน์
หลายคนมองว่างานของร็อบสันไร้ประโยชน์ ผลึกที่เขาสร้างขึ้นดูเปราะบางและพังง่าย แต่ ซูซูมุ คิตางาวะ ศาสตราจารย์ชาวญี่ปุ่นกลับมองต่างออกไป เขาเชื่อในแนวคิดว่า “แม้สิ่งที่ดูไร้ประโยชน์ ก็อาจมีคุณค่าในวันหนึ่ง”
ปี 1992 เขาเริ่มสร้างผลึกที่มีโพรงสองมิติ และในปี 1997 เขาก็ทำสิ่งที่ไม่มีใครคิดว่าจะเป็นไปได้ — สร้างโครงข่ายโลหะอินทรีย์สามมิติที่เสถียร เชื่อมต่อด้วย “ไอออนของโลหะ” (เช่น โคบอลต์ นิกเกิล หรือสังกะสี) และ “โมเลกุลอินทรีย์” 4,4′-บิไพริดีน (4,4′-bipyridine) ผลึกของเขามีช่องทางเปิดให้แก๊สอย่างมีเทน ไนโตรเจน และออกซิเจน เข้า–ออกได้ โดยไม่ทำให้โครงสร้างเสียหาย เขาเรียกวัสดุเหล่านี้ว่า “ผลึกพรุนอ่อนตัวได้” (Soft Porous Crystal) เพราะมันสามารถยืดหดตัวได้เหมือนปอดของสิ่งมีชีวิตที่ “หายใจ” ตามจังหวะของโมเลกุลรอบตัว — นี่คือจุดเริ่มต้นของวัสดุที่ “ตอบสนอง” ต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างชาญฉลาด
• จากเด็กชายในจอร์แดนถึงนักเคมีระดับโลก
อีกฟากหนึ่งของโลก โอมาร์ ยากี เติบโตในบ้านเล็ก ๆ ที่อัมมาน เมืองหลวงของจอร์แดน ครอบครัวของเขาไม่มีไฟฟ้า ไม่มีน้ำประปา แต่เขามีความอยากรู้อยากเห็น เมื่ออายุสิบขวบ เขามีโอกาสเข้าไปในห้องสมุดของโรงเรียน และเปิดหนังสือเคมีดูโดยบังเอิญ ภาพโมเลกุลในหนังสือนั้นทำให้เขาหลงใหลในสิ่งที่ตามองไม่เห็น ต่อมาเขาเดินทางไปเรียนต่อที่ประเทศสหรัฐอเมริกา และเริ่มต้นเส้นทางนักเคมีผู้ใฝ่ฝันจะ “ออกแบบวัสดุ” อย่างมีระบบเหมือนการต่อเลโก้ เขาต้องการควบคุมวิธีที่อะตอมโลหะและโมเลกุลอินทรีย์ประกอบกันให้ได้ตามแบบที่คิดไว้
ปี 1995 ยากีใช้คำว่า “Metal–Organic Framework” เป็นครั้งแรก และในปี 1999 เขาก็สร้างผลึก MOF-5 จาก สังกะสี (Zn²⁺) และตัวเชื่อมเทเรฟทาเลต (terephthalate linker) ที่มีความแข็งแรง ทนความร้อนได้ถึง 300 องศาเซลเซียส และมีพื้นที่ผิวภายในเพียงไม่กี่กรัมเท่ากับ “สนามฟุตบอล” — นั่นคือครั้งแรกที่นักเคมีเห็นว่า พื้นที่ว่างในระดับนาโนมีค่ามหาศาลได้มากขนาดนี้ ต่อมายากีและทีมสามารถดัดแปลงโครงสร้างให้เหมาะกับการใช้งานหลากหลาย เช่น กักเก็บแก๊สไฮโดรเจน ดักจับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ หรือแม้แต่สกัดน้ำจากอากาศในทะเลทรายในรัฐแอริโซนา ซึ่งนับเป็นผลงานที่เปลี่ยน “ความแห้งแล้ง” ให้กลายเป็น “หยดน้ำแห่งความหวัง” ด้วยพลังของเคมีโดยแท้จริง
• วัสดุแห่งศตวรรษที่ 21
จากผลงานของนักวิทยาศาสตร์ทั้งสามท่าน วันนี้มีการค้นพบ MOFs แล้วกว่าหนึ่งแสนชนิด แต่ละชนิดมีคุณสมบัติเฉพาะ เช่น
– CALF-20 ดูดซับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในโรงงานอุตสาหกรรม
– UiO-67 ดักจับสารพิษ PFAS (per- and polyfluoroalkyl substances) และเรียกกันอย่างไม่เป็นทางการว่า “สารเคมีตลอดกาล” ในน้ำเสีย
– MIL-101 ช่วยเร่งปฏิกิริยาย่อยสลายสารเคมีในสิ่งแวดล้อม
– หรือแม้แต่ MOF ที่ยืดหดได้ราวกับ “วัสดุมีชีวิต”
MOFs ได้เปลี่ยนแนวคิดของเคมีจากการ “ค้นพบ” ไปสู่การ “ออกแบบ” อย่างแท้จริง มันคือการสร้างโลกใหม่ในระดับอะตอม ที่ตอบโจทย์ทั้งวิทยาศาสตร์และสิ่งแวดล้อมในเวลาเดียวกัน
• วิทยาศาสตร์ของความเพียรและความหวัง
เรื่องราวของร็อบสัน คิตางาวะ และยากี สะท้อนหัวใจสำคัญของวิทยาศาสตร์ —ความใคร่รู้ ความอดทน และความเชื่อว่าความพยายามของมนุษย์สามารถเปลี่ยนแปลงโลกได้
– ถ้าร็อบสันไม่ตั้งคำถามตอนเจาะรูบนลูกบอลไม้ — โลกอาจไม่มีวัสดุอย่าง MOF
– ถ้าคิตางาวะยอมแพ้ต่ออคติด้านประโยชน์ใช้สอยของ MOF — เราอาจไม่มีวัสดุที่ “หายใจ” ได้
– ถ้ายากีไม่เปิดหนังสือเล่มนั้นในห้องสมุด — เราอาจไม่มีน้ำจากอากาศในทะเลทราย
ทั้งสามสอนเราว่า “เคมีไม่ใช่แค่การจำสูตร แต่คือการมองโลกในมิติของความเป็นไปได้” เพราะแม้ในช่องว่างเล็กจิ๋วระดับนาโน ก็อาจซ่อนคำตอบใหญ่ของโลกไว้ได้เสมอ
