Was genau ist das MOF, das den Nobelpreis gewonnen hat? Kann man tatsächlich damit "Wasser aus der Luft" holen in trockenen Regionen?

Kurzzeitig wurde der Nobelpreis für Chemie 2025 bekannt gegeben. Drei Wissenschaftler, die maßgeblich zur Entwicklung der Metall-organischen Gerüste (Metal-Organic Frameworks, kurz MOF) beigetragen haben - Susumu Kitagawa, Richard Robson und Omar M. Yaghi - erhielten diese Auszeichnung.

Was ist MOF? Warum konnte es drei Wissenschaftler auf die Nobelpreis-Podium steigen lassen? Welchen Wert und welche Bedeutung hat es für die menschliche Gesellschaft? In letzter Zeit führten wir ein Gespräch mit Yiran Lü, Investment-Vizepräsident bei GGV Capital über MOF und Materialwissenschaft. Yiran Lü ist ein Doktor der Materialwissenschaft und hat an der Tsinghua-Universität, an der Columbia-Universität in den USA und an der Brown-Universität in den USA Materialwissenschaft und -ingenieurwesen studiert.

MOF, also Metal-Organic Frameworks, ist eine Kristallstruktur, die aus Metallen und organischen Verbindungen zusammengesetzt ist und kann als aus unzähligen regelmäßig angeordneten "Kleinstzimmern" bestehend verstanden werden. Kristalle haben eine sich wiederholende Struktur, wie das Salz (Natriumchlorid), das wir zu Hause essen. Wenn man es unendlich vergrößert, besteht es immer noch aus einer sich wiederholenden Kristallstruktur. Das Funktionsprinzip von MOF besteht darin, durch die Kontrolle der Form, Größe und Oberflächenfunktionalgruppen der "Kleinhäuser" (MOF-Struktur) die Anziehung von Stoffen zu verändern. Wenn beispielsweise die Oberflächenfunktionalgruppe A das Molekül a anzieht, kann das Molekül a möglicherweise adsorbiert und festgehalten werden. Im Vergleich zu anderen Materialien wie Aktivkohle oder Attapulgit sind die Poren von MOF-Materialien dichter, gleichmäßiger und besser steuerbar, sodass es eine bessere Chance gibt, es für "gerichtete Adsorption" und "präzise Selektion" einzusetzen und viele Trenn- und Fangprobleme zu lösen, die bisherige Materialien schwer zu behandeln waren.

Können diese scheinbar magischen Eigenschaften von MOF-Materialien echte Bedürfnisse auf dem Markt erfüllen? Können die bestehenden Materialien und Technologien für dieselben Bedürfnisse keine Lösung bieten?

MOF kann Gase adsorbieren und somit Formaldehyd aus Räumen nach der Renovierung entfernen. Können aber nicht auch die bestehenden Aktivkohle und Attapulgit dasselbe leisten? MOF kann Flüssigkeiten adsorbieren und somit Lebenswasser in wasserarmen Regionen transportieren. Aber die Technologien zur Abwasserrecycling und Meerwasserentsalzung sind bereits sehr ausgereift. Wenn MOF heute viele Dinge tun kann, die andere Materialien und Technologien schon gestern können, was ist dann sein Wert und seine Bedeutung für morgen?

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Die Nobelpreisträger haben sich auch gefragt, wie diese Forschung in realen Szenarien angewendet werden kann.

Tatsächlich gab es seit der Entstehung von MOF immer Zweifel an seiner "Nützlichkeit".

Richard Robson, der Begründer der MOF-Technologie, bekam 1974 in einem Unterricht die erste Inspiration für "molekulare Architektur". Mehr als ein Jahrzehnt später testete er seine Idee und konstruierte tatsächlich eine Kristallstruktur mit vielen Hohlräumen im Inneren. Robson prophezeite, dass solche Materialien bisher unbekannte Eigenschaften haben könnten und großes Anwendungspotenzial in sich bergen.

Da die anfänglichen Materialien, die Robson damals konstruierte, jedoch eine schlechte Stabilität hatten und sich leicht zersetzten, wurde es von vielen Branchenexperten als "nutzlos" eingestuft.

Das Stäbchen wechselte in die Hände von Susumu Kitagawa. Tatsächlich war es eines der wichtigen Lehrkonzepte von Susumu Kitagawa, den Wert von "nutzlosen Dingen" zu entdecken. Bei den frühen Forschungen an MOF war es schwierig, die praktische Nützlichkeit der Forschung zu beweisen, und es war daher schwierig, Forschungsgelder zu erhalten.

1997 erreichte das Team von Susumu Kitagawa einen ersten großen Durchbruch: Sie konstruierten ein dreidimensionales Metall-organisches Gerüst aus offenen Kanälen, das aus Kobalt-, Nickel- oder Zinkionen und einem Molekül namens 4,4′-Bipyridin bestand und zeigte eine bisher unbekannte Stabilität. Es konnte seine Form beim Adsorbieren und Abgeben von Flüssigkeiten sowie Gasen wie Methan, Sauerstoff und Stickstoff beibehalten.

 Das dreidimensionale Metall-organische Gerüst, das vom Team von Susumu Kitagawa entwickelt wurde

Trotzdem waren die Zweifel an dieser Forschung in der Branche weiterhin groß: Es gibt bereits "Zeolithe" auf dem Markt, die ebenfalls Gase adsorbieren können und deren Adsorptionswirkung sogar besser ist als die von MOF. Warum sollten wir dann Ressourcen für die Entwicklung eines neuen Materials aufwenden?

Angesichts dieser Zweifel richtete Susumu Kitagawa seinen Forschungsfokus auf die Entwicklung von flexiblen MOF-Materialien. Und dies war auch einer seiner größten Beiträge zur Entwicklung von MOF.

   Das flexible MOF-Material, das von Susumu Kitagawa entwickelt wurde

Zur gleichen Zeit betrieb Omar Yaghi, der Wissenschaftler, der tatsächlich das Wort "MOF" prägte, auch eigene Forschungen auf dem Gebiet der Entwicklung dieses neuen Materials. 1999 entwickelte sein Team MOF-5. Dieses Material bleibt selbst bei einer Temperatur von 300 °C stabil und hat ein erstaunlich großes inneres Volumen - nur wenige Gramm MOF-5 haben eine innere Fläche, die so groß wie ein Fußballfeld ist. Dies macht seine Adsorptionsfähigkeit weitaus besser als die von herkömmlichen Zeolithen. So beantwortete Omar die Zweifel der Branche an Susumu Kitagawa, der sich auf der anderen Seite des Ozeans befand.

Das MOF-5, das vom Team von Omar entwickelt wurde

Anschließend entwickelte Omar auch verschiedene MOF-Materialien, die verschiedene Stoffe adsorbieren können, und schuf sogar das Wunder des "Wassernommens aus der Luft" in trockenen Regionen: Nachts adsorbiert MOF die Feuchtigkeit in der Luft. Tagsüber wird dann flüssiges Wasser freigesetzt, das die Menschen nutzen können.

Ist MOF nützlich? Wofür ist es nützlich? Die drei Nobelpreisträger und viele andere Materialwissenschaftler haben diese Fragen mit ihren Forschungen beantwortet.

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Neue Materialien müssen immer die Prüfung auf "Nützlichkeit" und "Anwendbarkeit" bestehen, bevor sie aus dem Labor in den Alltag oder die Industrie gelangen.

Es ist nicht verwunderlich, dass die Fragen und Antworten, die sich über mehrere Jahrzehnte hinweg hinzogen, nun auch in unserem Gespräch fortgesetzt werden. Gehen wir zurück zu der Frage am Anfang: Kann MOF-Material echte Bedürfnisse auf dem Markt erfüllen?

Yiran Lü meint, dass die Materialwissenschaft darin besteht, das passende Material zu finden, um konkrete Probleme und Bedürfnisse zu lösen. Der Kern bei der Beantwortung dieser Frage liegt in zwei Punkten: Erstens, kann man für diese Technologie eine "Killeranwendung (Killer Application)" finden; zweitens muss man die Kosten berechnen und sehen, ob die neue Technologie durch kontinuierliche Kostensenkung und Effizienzsteigerung wirtschaftlicher ist als die alte Technologie, wenn sie die Marktbedürfnisse erfüllt.

Das oben erwähnte Beispiel des "Wassernommens aus der Luft" in trockenen Regionen mit MOF-Material ist ein guter Beobachtungsgegenstand. Dieses Beispiel spielt im Nahen Osten.

Der Nahe Osten hat eine Besonderheit: Obwohl in vielen Regionen die Menge an nutzbarem Süßwasser auf dem Land begrenzt ist, ist die Luftfeuchtigkeit aufgrund der Nähe zum Meer relativ hoch. In einer solchen Umgebung kann die starke Adsorptionskraft von MOF voll zum Tragen kommen - es kann zur Killeranwendung werden.

Natürlich wissen wir, dass die Technologie zur Meerwasserentsalzung im Nahen Osten sehr ausgereift ist. Was ist dann der Wert des Wassernommens aus der Luft mit MOF für den Markt? Hier muss man die Kosten berechnen. Bei der herkömmlichen Meerwasserentsalzungstechnologie muss ein nicht zu vernachlässigender Kostenbetrag für den Wassertransport aufgewendet werden. Wenn die Materialkosten von MOF niedriger sind als die Transportkosten für Meerwasser, kann es in dieser Region die herkömmlichen Technologien und Branchen ersetzen und somit wirklich in den Markt integriert werden und die echten Bedürfnisse des Marktes erfüllen.

Yiran Lü sagte, dass in der Materialbranche viele Materialien, die die "echten Bedürfnisse" des Marktes erfüllen, nicht von Anfang an in der Anwendungsstufe eingesetzt werden können.

Beispielsweise erhielt die Lithium-Ionen-Batterie, die ebenfalls den Nobelpreis für Chemie gewann, diesen erst 2019, ungefähr 40 Jahre nach ihrer wissenschaftlichen Entdeckung. Wir haben auch gesehen, dass in den letzten zehn Jahren die Kernparameter der Lithium-Ionen-Batterie wie Reichweite, Zyklenlebensdauer und Sicherheit ständig verbessert wurden. Auf der Anwendungsseite wird die Lithium-Ionen-Batterie immer breiter in der Konsumelektronik, bei Elektromobilen und zur Energiespeicherung eingesetzt. Seit ihrer ersten kommerziellen Einführung im Jahr 1991 hat sich die Kosten der Batterie um 97 % gesenkt. Bis 2030 wird die Kosten der Lithium-Ionen-Batterie voraussichtlich noch um 25 % sinken. Aus Kostenperspektive wird es mit der ständigen Verbesserung und Kostensenkung der Lithium-Ionen-Batterie wirtschaftlicher, Elektromobile anstatt Benzinwagen zu nutzen. Elektromobile sind nach der Konsumelektronik die nächste beliebte Anwendung, die die Lithium-Ionen-Batterie voranbringt.

Carbonfasern, ein weiteres neues Material, das immer noch sehr auffällig ist, hatten in der frühen Entdeckungsphase eine geringe Festigkeit und hohe Kosten und wurden nur in wenigen Bereichen wie der Luftfahrt eingesetzt. Mit der Verbesserung des Herstellungsprozesses in den letzten 20 Jahren hat sich die Festigkeit um das 3- bis 4-fache erhöht und die Kosten um mehr als 90 % gesenkt, sodass es auch mehr Anwendungsbereiche gefunden hat, wie Carbonfaser-Rennwagen, Carbonfaser-Fahrräder, Carbonfaser-Schläger und Carbonfaser-Sportstöcke.

Ähnlich verhält es sich mit GORE-TEX-Material. Obwohl das Material, das weit verbreitet in Jacken für Outdooraktivitäten eingesetzt wird, immer noch teuer ist, ist es aufgrund seiner Eigenschaft, "atmungsaktiv und wasserdicht" zu sein, ein Lieblingsmaterial von Outdoor-Enthusiasten, da es es Menschen ermöglicht, Schwitzfeuchtigkeit abzugeben und regennass zu bleiben.

Im Vergleich dazu wird Aluminium heute weit verbreitet eingesetzt, weil seine Kosten stark gesunken sind. In Napoleons Zeit und bis Mitte des 19. Jahrhunderts war Aluminium wertvoller als Gold. Die Elektrolyse-Technologie hat die Produktion von Aluminium stark erhöht und es aus der Königsburg in den Alltag der Menschen gebracht.

"Beispiele wie Carbonfasern und Lithium-Ionen-Batterien zeigen auch, dass die Kostensenkung die Anwendungsbereiche erweitert und somit eine große Branche entsteht, die wiederum die Kosten senkt und weitere Anwendungsbereiche erschließt", sagte Yiran Lü. "Allerdings gibt es auch viele innovative Materialien mit besonderen Eigenschaften, die aufgrund des Fehlens einer Killeranwendung oder der schlechten Wirtschaftlichkeit immer noch an der Schnittstelle zwischen Forschung und Marktanwendung stecken bleiben."

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Was lässt uns die Materialwissenschaft denken?

Die Materialwissenschaft ist ein faszinierendes Fachgebiet.

Es ist die Einheit von Wissenschaft und Technik. Jede Erforschung von wissenschaftlichen Theorien, Gesetzen, Formeln und Sätzen zielt darauf ab, dass es eines Tages auf technischer Ebene realisiert werden kann.

Es ist die Einheit von Mikro- und Makroebene. Unsere mühevolle Forschung auf der Mikroebene zielt darauf ab, dass ein neues Material eines Tages auf der Makroebene und in der Marktanwendung glänzen kann. Aus der Sicht von Yiran Lü besteht die Essenz der Materialwissenschaft darin, dass "Struktur Funktion bestimmt" - die mikroskopische Struktur bestimmt die makroskopischen Eigenschaften, und die Kernlogik der modernen Materialwissenschaft besteht darin, durch die präzise Steuerung der mikroskopischen Struktur die makroskopischen Eigenschaften gezielt zu optimieren und zu verbessern.

Es ist auch die Einheit von Gegenwart und Zukunft. Richard Robson, der Begründer von MOF, wurde 1937 geboren. Als er in den frühen Tagen die MOF-Technologie erforschte, gab es noch kein Internet und die Welt war noch nicht globalisiert. Natürlich verstand auch nur wenige Menschen, was er damals tat. Heute, im Jahr 2025, hat dieser 88-jährige Wissenschaftler die Antwort der Welt gehört. Der Aufschrei dieses 88-jährigen Mannes vor mehreren Jahrzehnten klingt heute immer noch wie ein starkes Signal in die Zukunft.

Wir, die wir in der Gegenwart leben, haben oft das Gefühl, dass die Welt, in der wir leben, schon gut genug ist und dass unsere Bedürfnisse erfüllt sind. Als das erste Auto auf der Straße von einem Pferdekutscher überholt wurde, konnten die Leute nicht widerstehen, zu lachen: Was soll das? Ist das nötig? Ist es nicht besser, mit dem Pferdekutsche zu fahren? Was ist der Sinn von diesem eisernen Kasten mit vier Rädern?

Aber aus irgendeinem Grund gibt es in jeder Zeit immer Menschen, die glauben, dass die Welt, die für die meisten Menschen schon gut genug ist, noch besser sein kann. Vielleicht hatten Susumu Kitagawa und Omar Yaghi auch dieses Gefühl, als man sie fragte, was der Sinn ihrer Forschung sei.

Heute wird die MOF-Technologie auch für die Abgabe von zielgerichteten Medikamenten eingesetzt, und einige Wissenschaftler in Nordeuropa verwenden es, um Kohl