สามนักวิจัยผู้คิดค้น "โครงข่ายโลหะ-อินทรีย์" คว้าโนเบลเคมี 2025

คณะกรรมการรางวัลโนเบลสาขาเคมี จากราชบัณฑิตยสภาวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน ประกาศมอบรางวัลในปีนี้ให้แก่สามนักวิจัยผู้มีผลงานคิดค้นวัสดุมหัศจรรย์ชนิดใหม่ ที่จะช่วยฟื้นฟูสิ่งแวดล้อมโลก และแก้ไขปัญหาการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศได้

ผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี 2025 ได้แก่ศาสตราจารย์ซูซูมุ คิตะกาวะ จากมหาวิทยาลัยเกียวโตของญี่ปุ่น, ศาสตราจารย์ริชาร์ด ร็อบสัน จากมหาวิทยาลัยเมลเบิร์นของออสเตรเลีย, และศาสตราจารย์โอมาร์ ยากี จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย วิทยาเขตเบิร์กลีย์ของสหรัฐฯ

แถลงการณ์ของคณะกรรมการรางวัลโนเบลสาขาเคมีระบุว่า ทั้งสามคนได้รับรางวัลจาก "ผลงานการพัฒนาโครงข่ายโลหะ-อินทรีย์" ซึ่งก็คือวัสดุแห่งอนาคตที่เรียกกันว่า "มอฟส์" (metal-organic frameworks – MOFs)

วัสดุ "มอฟส์" คืออนุภาคผลึกที่เล็กจิ๋วระดับนาโนเมตร แต่ภายในเต็มไปด้วยรูพรุน จนทำให้มีพื้นที่ผิวข้างในกว้างใหญ่มากเป็นพิเศษ และมีความสามารถในการดูดซับสูง โดยอนุภาคมอฟส์ 1 ช้อนชา จะมีพื้นที่ผิวภายในเท่ากับสนามเทนนิสถึง 2 แห่งเลยทีเดียว

พื้นที่ผิวภายในโครงสร้างของมอฟส์นั้น สามารถผ่านการปรับแต่งทางวิศวกรรมในห้องปฏิบัติการ เพื่อให้มีความ "เหนียว" หรือมีคุณสมบัติยึดเกาะกับโมเลกุลของก๊าซได้หลายชนิด ซึ่งในทางปฏิบัติแล้ว สามารถจะนำมาใช้เป็นทั้งฟองน้ำดูดซับและตะแกรงร่อนขนาดจิ๋ว เพื่อคัดแยก ดักจับ รวมทั้งกักเก็บก๊าซและสารเคมีหลายชนิดได้พร้อมกันในปริมาณมาก

คุณสมบัติที่น่าอัศจรรย์ของมอฟส์ สามารถจะนำมาประยุกต์ใช้เพื่อลดผลกระทบของอุตสาหกรรมต่าง ๆ ที่มีต่อสภาพภูมิอากาศโลก เช่นช่วยดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากการผลิตปูนซีเมนต์, โลหะ, และพลังงานไฟฟ้า รวมทั้งช่วยลดมลภาวะจากขยะพลาสติกได้อีกด้วย

ศ.คิตะกาวะกล่าวในการให้สัมภาษณ์ทางโทรศัพท์ หลังได้รับแจ้งข่าวดีว่า "ผมรู้สึกเป็นเกียรติอย่างยิ่งและดีใจมาก ขอบคุณมากครับ" อย่างไรก็ตามเขารีบกล่าวเสริมทันทีว่า "ผมต้องให้สัมภาษณ์อีกนานไหม ? อีกเดี๋ยวผมต้องรีบไปเข้าประชุมแล้วครับ"

คณะกรรมการรางวัลโนเบลสาขาเคมี เปรียบเปรยผลงานของนักวิทยาศาสตร์ทั้งสามว่าเป็นเสมือน "สถาปัตยกรรมในระดับโมเลกุล" เพราะพวกเขาคิดค้นวิธีประกอบโมเลกุลเข้าด้วยกันให้เป็นโครงข่ายแบบใหม่ โดยมี "สิ่งก่อสร้าง" คล้ายห้องเล็ก ๆ จำนวนมาก อยู่ในช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างสองโมเลกุล ซึ่งก๊าซและสารเคมีอื่น ๆ สามารถจะไหลผ่านโครงข่ายนี้ไปได้

ห้องเล็ก ๆ หรือรูพรุนในวัสดุมอฟส์ สามารถดักจับและกักเก็บสารเคมีที่มนุษย์ต้องการกำจัด ทั้งก๊าซพิษจากอาวุธเคมี, ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์, และก๊าซเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นสาเหตุของภาวะโลกร้อนและการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ รวมทั้งยังสามารถดูดซับสารเคมีที่ย่อยสลายได้ยากยิ่ง หรือ "สารเคมีชั่วนิรันดร์" (forever chemicals) อย่างเช่น PFAS ที่ปนเปื้อนในดินและแหล่งน้ำได้อีกด้วย

นักเคมีทั้งสามผู้ได้รับรางวัลโนเบลในปีนี้ ต่างเริ่มคิดค้นวัสดุมอฟส์ในช่วงทศวรรษ 1970 และ 1980 โดยไม่ได้อยู่ในทีมวิจัยเดียวกัน แต่ทุกคนล้วนมีส่วนสำคัญในการพัฒนาวัสดุมหัศจรรย์นี้ ด้วยวิธีนำไอออน (ions) หรืออะตอมของโลหะที่มีประจุไฟฟ้า มาวางเป็นรากฐานตรงมุมของโครงข่ายมอฟส์ จากนั้นยึดไอออนของโลหะเข้าด้วยกัน โดยใช้โมเลกุลของสารอินทรีย์ที่มีรูปทรงเป็นแท่งยาวเชื่อมต่อ จนเกิดเป็นโครงข่ายผลึกที่มีช่องว่างภายในจำนวนมาก

ศ.ร็อบสันซึ่งเป็นชาวอังกฤษจากภาคตะวันตกของมณฑลยอร์กเชียร์ คือคนแรกที่เริ่มคิดค้นโครงข่ายโลหะ-อินทรีย์ โดยเขาถึงกับขอให้ทางมหาวิทยาลัยต้นสังกัด เจาะรูบนโต๊ะทำงานในห้องปฏิบัติการ เพื่อให้แบบจำลองอะตอมที่ทำจากลูกบอลไม้ สามารถยึดติดกับแท่งไม้ที่ใช้แสดงพันธะเคมีได้

ในปี 1989 ศ.ร็อบสันทดลองใช้ไอออนของทองแดง มาประกอบเข้ากับโมเลกุลสารอินทรีย์ที่มีแขน 4 ข้าง จนเกิดเป็นผลึกที่มีโครงสร้างเป็นระเบียบ คล้ายกับโครงสร้างของเพชรที่มีโพรงด้านในอยู่เต็มไปหมด

อย่างไรก็ตาม โครงสร้างดังกล่าวยังไม่เสถียรและพังทลายได้ง่าย ทว่าต่อมาในช่วงปี 1992-2003 ศ.คิตะกาวะ และ ศ.ยากี ได้ช่วยปรับปรุงโครงสร้างมอฟส์รุ่นแรกจนมั่นคงแข็งแรงขึ้น โดยศ.คิตะกาวะได้พิสูจน์ว่า ก๊าซสามารถไหลเข้าและออกจากโครงข่ายนี้ได้ ทั้งยังค้นพบว่าสามารถออกแบบโครงข่ายมอฟส์ให้มีความยืดหยุ่นได้ด้วย

ส่วนศ.ยากี ประสบความสำเร็จในการสร้างโครงข่ายมอฟส์ที่เสถียรอย่างมาก ทั้งยังแสดงให้เห็นว่า นักเคมีสามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างมอฟส์ ด้วยการออกแบบตามวัตถุประสงค์ในการใช้งานได้

ปัจจุบันนักวิจัยสามารถออกแบบโครงข่ายมอฟส์ ให้มีโครงสร้างที่แตกต่างกันออกไปได้นับหมื่นแบบ เพื่อให้เกิดประโยชน์ใช้สอยอย่างหลากหลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการดูดซับและกักเก็บสารที่ต้องการ เช่นดักจับโมเลกุลน้ำในอากาศ เพื่อการอุปโภคบริโภคในทะเลทราย, ขจัดสารพิษที่ปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อม, ใช้เป็นคะตะลิสต์หรือตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี, และใช้เป็นวัสดุตัวนำไฟฟ้าก็ได้

ทุกวันนี้การใช้งานวัสดุมอฟส์ยังคงอยู่ในวงจำกัด โดยมักจะใช้กันในโครงการขนาดเล็ก เนื่องจากยังมีราคาแพง แต่ก็มีบริษัทเทคโนโลยีของเอกชนหลายราย กำลังพัฒนาวิธีการผลิตมอฟส์ให้ได้ปริมาณมากในระดับอุตสาหกรรม เพื่อลดต้นทุนลง

ศ.เชลา โรแวน รองประธานราชบัณฑิตยสมาคมของสหราชอาณาจักร (Royal Society) แสดงความเห็นว่า "นักเคมีทั้งสามได้ร่วมกันวางรากฐาน และกำหนดทิศทางของการวิจัยขั้นพื้นฐานในวิชาเคมียุคใหม่ ซึ่งเป็นหนึ่งในสาขาวิชาที่กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วที่สุดในตอนนี้"

ส่วนดร.แอนเนต โดเฮอร์ตี ประธานสาขาวิชาเคมี ในราชบัณฑิตยสมาคมของสหราชอาณาจักร บอกว่า "ทุกปีเราจะได้เห็นการมอบรางวัลโนเบล ให้กับนักเคมีผู้เปิดรับความท้าทายในการแก้ปัญหาใหญ่ของประชาคมโลก เช่นทำให้การแพทย์ก้าวหน้า, พิทักษ์สิ่งแวดล้อม, ผลิตพลังงานสะอาด, สร้างความมั่นคงทางอาหารและน้ำให้กับทุกคน"

สำหรับประวัติชีวิตของศ.คิตะกาวะ เขาได้รับแรงบันดาลใจในการคิดค้นโครงข่ายโลหะ-อินทรีย์ จากหลักปรัชญา "ประโยชน์ของสิ่งที่ไร้ประโยชน์" ซึ่งเป็นแนวคิดของ "จวงจื่อ" ปราชญ์จีนโบราณที่เคยกล่าวไว้ว่า แม้บางสิ่งอาจดูเหมือนไร้ประโยชน์ในตอนนี้ แต่ก็อาจจะกลายเป็นสิ่งที่มีคุณประโยชน์อย่างยิ่งในภายภาคหน้า

ส่วนศ.ยากี ซึ่งเป็นชาวจอร์แดนโดยกำเนิด เติบโตขึ้นมาในครอบครัวที่ยากจน ตอนที่ยังเด็กเขาอาศัยอยู่ในบ้านหลังเล็ก ๆ ที่มีเพียงห้องเดียวในกรุงอัมมาน โดยต้องเบียดเสียดกันอยู่กับพี่น้องหลายคน ซ้ำร้ายบ้านหลังนี้ยังไม่มีไฟฟ้าหรือน้ำประปาให้ใช้ด้วย อย่างไรก็ตาม เขาหลงใหลในแบบจำลองโครงสร้างโมเลกุล ซึ่งได้เห็นเป็นครั้งแรกที่โรงเรียน และเมื่อมีอายุได้ 15 ปี เขาก็ไปศึกษาต่อที่สหรัฐอเมริกา

นักเคมีทั้งสามคนจะได้รับเงินรางวัลจำนวน 11 ล้านโครนสวีเดน หรือราว 38 ล้านบาท โดยพิธีมอบรางวัลโนเบลจะมีขึ้นในวันที่ 10 ธ.ค. ที่จะถึงนี้ เนื่องจากเป็นวันครบรอบมรณกรรมของอัลเฟรด โนเบล นักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดนผู้ก่อตั้งกองทุนรางวัลโนเบล เมื่อ 130 ปีก่อน