La Real Academia Sueca de Ciencias ha galardonado hoy con el Premio Nobel de Química a Susumu Kitagawa (Japón), Richard Robson (Reino Unido) y Omar M. Yaghi (Jordania - EE.UU.) por el desarrollo de los Metal-Organic Frameworks (MOF). Estas estructuras, que el comité Nobel describe como un "nuevo universo en la ingeniería molecular", son materiales porosos con un potencial enorme para abordar los desafíos globales, desde el cambio climático hasta la escasez de recursos.
La distinción premia la creación de una arquitectura molecular totalmente novedosa, destacada por su porosidad extrema y su capacidad para ser diseñada a la medida. Como señaló Heiner Linke, presidente del Comité Nobel de Química, los MOF "traen oportunidades inesperadas de diseño a la química, permitiendo funciones hechas a la medida".
¿Qué son los MOF? La arquitectura molecular del futuro
Los Metal-Organic Frameworks (MOF), o Estructuras Metalorgánicas, son materiales cristalinos altamente porosos que se construyen a partir de dos componentes básicos:
- Nodos metálicos: iones o cúmulos de iones metálicos que actúan como "pilares" o centros de conexión.
- Ligandos orgánicos: moléculas orgánicas que funcionan como "vínculos" o "espaciadores" que unen los nodos metálicos en una red cristalina tridimensional.
Esta combinación genera una estructura con espacios internos o cavidades de un tamaño asombroso. Un fragmento diminuto de MOF, del tamaño de un cubo de azúcar, puede tener una superficie interna equivalente a un campo de fútbol gracias a su altísima porosidad. Estas "habitaciones" moleculares son clave, ya que en ellas pueden fluir y ser capturadas moléculas de gas u otras sustancias.
Reseña histórica e hitos relevantes
La historia de los MOF se remonta al final del siglo XX, marcando un hito en la química de materiales:
Los inicios (1989-1995): aunque el concepto se gestaba antes, los primeros hitos concretos en la creación de estructuras metalorgánicas porosas y estables se atribuyen a los galardonados. Richard Robson, en 1989, fue pionero en probar la utilización de las propiedades inherentes de los átomos para construir una red, aunque sus primeras construcciones eran inestables y colapsaban fácilmente. [Hoskins, B. F., & Robson, R. (1989). Infinite polymeric frameworks consisting of three dimensionally linked rod-like segments. Journal of the American Chemical Society, 111(15), 5962–5964].
La estabilidad y la funcionalidad: Omar M. Yaghi creó un MOF estable, demostrando que estas estructuras podían modificarse para conferirles propiedades nuevas y atractivas. A él se le atribuye la acuñación del término "MOF" y la masificación del campo. [Yaghi, O. M., Li, G., & Li, H. (1995). Selective binding and catalytic activity of a metal-organic molecular square. Nature, 378(6558), 703–706]. [Li, H., Eddaoudi, M., O'Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (1999). Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal–organic framework. Nature, 402(6764), 725–728].
El flujo y la flexibilidad: Susumu Kitagawa demostró que los gases podían fluir libremente dentro y fuera de las construcciones, e incluso predijo que las estructuras MOF podrían hacerse flexibles (cambiando su porosidad) en respuesta a un estímulo externo. Su trabajo en Japón consolidó la comprensión de la dinámica de estos materiales. [Kondo, M., Yoshitomi, T., Matsuzaka, H., Kitagawa, S., & Seki, K. (1997). Three-Dimensional Framework with Channeling Cavities for Small Molecules: [M2(4,4’−bpy)3(NO3)4]⋅xH2On (M=Co, Ni, Zn). Angewandte Chemie International Edition in English, 36(16), 1725–1727]. [Kitagawa, S., Kitaura, R., & Noro, S. (2004). Functional porous coordination polymers. Angewandte Chemie International Edition, 43(18), 2334–2375].
Usos globales y aplicaciones clave en la industria química
Los MOF han trascendido el laboratorio, emergiendo como una promesa tangible para un futuro más sostenible en diversos sectores:
Usos a nivel global
El trabajo de los tres científicos ha abierto un nuevo universo en la ingeniería molecular, con aplicaciones ya investigadas o en uso para:
- Mitigación del Cambio Climático: Se utilizan para la captura de dióxido de carbono (CO2), ofreciendo un proceso más eficiente y con menor coste energético que las tecnologías convencionales.
- Energías limpias: son esenciales para el almacenamiento de hidrógeno (H2) o metano (CH4), gases clave para el desarrollo de vehículos e infraestructuras de energía limpia. Su alta superficie interna permite almacenar grandes cantidades de gas a menor presión.
- Recursos hídricos: se están investigando para la extracción de agua del aire en zonas áridas y para eliminar contaminantes del agua, incluyendo los persistentes "compuestos químicos para siempre" (forever chemicals).
- Biomedicina: utilizados como nanotransportadores, acceden a las células para la liberación controlada y dirigida de fármacos, e incluso para la encapsulación de vacunas.
Aplicaciones en la industria química
En el ámbito industrial, la versatilidad química de los MOF los convierte en catalizadores y agentes de separación de gran potencial:
- Catálisis heterogénea: los nodos metálicos y los ligantes orgánicos pueden ser diseñados para actuar como catalizadores con súper-acidez o quimioselectividad, optimizando procesos químicos para hacerlos más rápidos y eficientes.
- Separación y purificación de gases: su alta selectividad permite separar gases de interés industrial o ambiental, como la purificación de corrientes de gas natural o la separación de isómeros.
- Membranas y tamices moleculares: se usan como relleno en membranas poliméricas para mejorar drásticamente el rendimiento en procesos de separación en fase líquida (como la deshidratación de alcoholes) y para construir reactores de membrana que combinan reacción y separación, optimizando costes.
- Sensores: Se desarrollan como sensores de gas que miden y responden con alta sensibilidad a la presencia de ciertas moléculas.
Los desafíos en el horizonte
A pesar del reconocimiento, el camino hacia la comercialización a gran escala de los MOF aún enfrenta importantes desafíos:
- Estabilidad y producción industrial: la estabilidad térmica de muchos MOF es menor que la de materiales como las zeolitas (la parte orgánica se degrada a temperaturas moderadas). Se necesitan métodos de síntesis más económicos, escalables y ecológicos que eviten el uso de disolventes.
- Biocompatibilidad: para las aplicaciones biomédicas, el reto es utilizar exclusivamente metales biocompatibles y ligandos orgánicos biológicamente aceptables (péptidos, carbohidratos) para asegurar la seguridad y disminuir la citotoxicidad de sus productos de degradación.
- Modelado y diseño a medida: si bien la posibilidad de diseño es infinita, el desafío es perfeccionar el modelado computacional para predecir con mayor precisión qué combinación de metal y ligando producirá la estructura y la funcionalidad deseadas para una aplicación específica.
- Integración de plataformas: se debe avanzar en la integración de los MOF en diferentes formatos (películas delgadas, partículas nanométricas, membranas) para su uso en dispositivos reales.
En palabras de Omar M. Yaghi, uno de los flamantes Premio Nobel, "estos materiales son una promesa tangible para un futuro más sostenible". El reconocimiento de hoy no solo celebra un logro científico, sino que ilumina el potencial de la química para construir, literalmente, un mundo mejor, un "ladrillo molecular" a la vez.
Investigación FaCiQyF en MOF
Nuestra facultad no está exenta del impacto que han tenido este tipo de materiales en todas las áreas de la química, el Prof. Patricio Cancino, la Prof. Evgenia Spodine y el Prof. Pedro Aguirre, adscritos al Departamento de Química Inorgánica y Analítica, han profundizado en el impacto de estos materiales particularmente MOF bimetálicos 3d-3d y 3d-4f en catálisis heterogénea particularmente en la oxidación de olefinas. El Prof. Pablo Fuentealba ha generado termómetros luminiscentes a partir de MOF basados en lantánidos. Por su parte, el Prof. Marcelo Kogan trabaja en potenciar las propiedades que presentan las nano partículas de oro al funcionalizarlas con Metal Organic Frameworks.