Tres científicos han recibido el Premio Nobel de Química 2025 por descubrir una nueva forma de arquitectura molecular: cristales que contienen grandes cavidades.
Susumu Kitagawa de la Universidad de Kyoto, Japón, Richard Robson de la Universidad de Melbourne, Australia, y Omar M. Yaghi de la Universidad de California, Berkeley, en EE.UU., compartirán un premio de 11 millones de coronas suecas (870.000 libras esterlinas).
El premio reconoce las contribuciones pioneras de los tres científicos en el desarrollo de algo llamado estructuras metalorgánicas (Mofs). Los Mof son una clase diversa de materiales cristalinos que han atraído mucha atención en química debido a la presencia de cavidades microscópicas abiertas en sus estructuras. Están ayudando a revolucionar la tecnología verde, como la recolección de agua del aire del desierto y la captura de CO₂.
La anchura de las cavidades puede variar desde unos pocos angstroms (un angstrom es una unidad de longitud equivalente a una cienmillonésima de centímetro) hasta varios nanómetros (una millonésima de milímetro). Eso significa que son demasiado pequeños para verlos a simple vista o incluso con la mayoría de los microscopios. Pero tienen el tamaño perfecto para albergar varias moléculas.
El desarrollo de los Mof se remonta a finales de la década de 1950, cuando los investigadores comenzaron a descubrir “polímeros de coordinación”. Se trata de materiales formados por cadenas unidas de iones metálicos (átomos que han perdido o ganado electrones) y moléculas puente basadas en carbono conocidas como enlazadores. Estos materiales no contenían cavidades, pero se basaban en la misma química organometálica que más tarde daría origen a los Mofs.
A finales de la década de 1980, el grupo de investigación de Robson informó que algunos polímeros de coordinación podían prepararse como estructuras similares a estructuras en las que, fundamentalmente, los conectores basados en carbono formaban disposiciones tridimensionales alrededor de grupos de moléculas de disolvente líquido. Como se menciona en el artículo de investigación de Robson, esto reveló “una situación inusual en la que aproximadamente dos tercios del contenido de lo que sin duda es un cristal son efectivamente líquidos”.
A mediados y finales de la década de 1990, el grupo de Yaghi demostró que era posible preparar polímeros de coordinación que conservaban sus estructuras incluso después de que se retiraran las moléculas de disolvente de las cavidades. Este fue un resultado sorprendente, que disipó la suposición predominante de que tales estructuras son frágiles y colapsarían si se eliminara el solvente.
En 1997, el grupo de investigación de Kitigawa demostró que las cavidades abiertas podían utilizarse para absorber moléculas de gas. También demostró que, en muchos casos, la propia estructura se expande a medida que las moléculas de gas son absorbidas y se contrae cuando se liberan. Estos polímeros de coordinación con cavidades abiertas permanentes llegaron a conocerse como Mofs.
Los descubrimientos de los tres científicos marcaron efectivamente el nacimiento de la química Mof moderna, y desde entonces se han publicado miles de artículos de investigación sobre ellos.
Amplia gama de aplicaciones
¿Por qué los Mof son tan interesantes para los químicos? Las cavidades microscópicas dentro de Mofs proporcionan una ubicación única y controlable para que tenga lugar la química. Una aplicación clave de Mofs es el almacenamiento de gas. En muchos casos, estos materiales pueden contener gases a densidades mucho más altas que en su estado gaseoso libre.
Esto ofrece importantes ventajas para las tecnologías ecológicas, como los vehículos propulsados por pilas de combustible, en los que el combustible de hidrógeno debe transportarse de la forma más eficiente posible. Muchos Mof funcionan particularmente bien para gases específicos, lo que significa que también pueden ayudar a separar mezclas de gases en las corrientes de escape o capturar CO₂ del aire para mitigar los efectos del calentamiento global.
Los Mof también pueden actuar como catalizadores eficaces para reacciones químicas que tienen lugar en las cavidades. Una de las ventajas clave de los Mof como catalizadores es que es relativamente sencillo para los químicos cambiar e intercambiar los metales y los enlaces a base de carbono para ajustar las propiedades para un propósito particular.
Además de las moléculas de gas, los Mof también pueden acomodar otras moléculas pequeñas, como las de productos farmacéuticos. Esto significa que pueden usarse para almacenar y administrar medicamentos a un objetivo particular, donde su naturaleza porosa permite la liberación controlada de sustancias químicas terapéuticas.
En los últimos años, los Mof se han mostrado prometedores para muchas otras aplicaciones, incluidas baterías, almacenamiento de energía térmica y sensores químicos (dispositivos que pueden monitorear y detectar sustancias químicas como contaminantes). Curiosamente, aún quedan muchas otras aplicaciones por explorar.
A pesar de haber sido descubiertos hace más de tres décadas, los Mof siguen siendo una de las áreas de investigación más candentes en la química de materiales y sin duda lo seguirán siendo durante muchos años.
John Griffin, profesor de química de materiales, Universidad de Lancaster
