Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar Yaghi no han levantado puentes ni rascacielos, pero han diseñado a escala atómica materiales porosos que sostendrán gran parte de la tecnología del futuro.
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 (Estados Unidos), han sido galardonados este año con el Premio Nobel de Química por el desarrollo de las estructuras metalorgánicas, conocidas como MOFs por sus siglas en inglés (Metal-Organic Frameworks), una innovación que está transformando múltiples sectores de la sociedad.
Su trabajo, desarrollado a lo largo de décadas, ha dado vida a una clase de materiales con el poder de transformar nuestra lucha contra el cambio climático, la escasez de agua y la contaminación. Aunque el término «estructura metalorgánica» pueda sonar complejo, la idea fundamental es bien sencilla: construir materiales a la carta, átomo por átomo, para resolver algunos de los mayores desafíos tecnológicos del momento.
Materiales de diseño
La idea que representa esta tecnología es diseñar un material como si se tratara de un juego de construcción molecular, utilizando piezas diminutas para crear estructuras con propiedades específicas. Eso es, en esencia, lo que estos tres científicos lograron.
Los MOF son como esponjas microscópicas muy versátiles. Se construyen uniendo iones metálicos (que actúan como nudos o anclajes) con moléculas orgánicas a base de carbono (que funcionan como barras conectoras). El resultado es una estructura tridimensional, cristalina y extraordinariamente porosa, llena de diminutos túneles y cavidades.
La magia de estos materiales reside en su diseño. Al poder elegir qué iones metálicos y qué moléculas orgánicas utilizar, los científicos pueden «programar» los MOFs para que atrapen, almacenen o manipulen sustancias específicas. Es como construir una casa con habitaciones de tamaños y formas necesarias para alojar a un tipo concreto de huésped molecular. Esta capacidad de diseño a medida ha abierto un abanico de posibilidades que hasta hace poco pertenecían al ámbito de la ciencia ficción.
Una idea revolucionaria
Todo comenzó a finales de la década de 1980, con Richard Robson en la Universidad de Melbourne. Mientras preparaba modelos de madera para sus clases de química, se planteó si sería posible construir estructuras ordenadas y espaciosas utilizando enlaces químicos reales. En 1989, dio el primer paso al combinar iones de cobre con una molécula orgánica, creando la primera estructura de este tipo. Era un diseño ingenioso, similar a un «diamante lleno de innumerables cavidades», pero tenía un problema: era inestable y se desmoronaba con facilidad.
Aquí es donde entran en escena Susumu Kitagawa y Omar Yaghi, quienes, trabajando de forma independiente en la década de 1990, convirtieron esta idea en una realidad robusta y funcional. Kitagawa, desde la Universidad de Kyoto, descubrió que estos materiales no solo eran porosos, sino que también podían ser flexibles, capaces de cambiar de forma para permitir que los gases entraran y salieran de sus cavidades, un rasgo que los hacía únicos.
Mientras tanto, Omar Yaghi, en Estados Unidos, perfeccionó el arte del diseño. Demostró que era posible construir MOFs estables y, lo que es más importante, que se podía diseñar de forma racional para cumplir funciones específicas. Yaghi acuñó el término «química reticular» para describir este enfoque de construcción molecular preciso y fue quien popularizó el nombre que proporciona identidad a este campo de la química.
Soluciones tangibles
El verdadero impacto del trabajo de estos tres pioneros se mide en las soluciones que sus materiales ya están ofreciendo.
Una de las aplicaciones más llamativas es la lucha contra el cambio climático. Los MOF son excepcionales «cazadores» de dióxido de carbono (CO₂). Pueden diseñarse para capturar selectivamente las moléculas de este gas procedente de las emisiones industriales, separándolas de otros gases con una eficiencia sin precedentes. A diferencia de los métodos actuales, que consumen grandes cantidades de energía, los filtros de MOF pueden «limpiarse» y reutilizarse con un coste energético mucho menor, lo que los convierte en una herramienta clave para descarbonizar la industria.
Otra aplicación es la recolección de agua del aire. El equipo de Omar Yaghi ha desarrollado MOFs capaces de absorber la humedad del aire, incluso en las condiciones más áridas, como las del desierto de Mojave. Un dispositivo portátil equipado con un kilogramo de este material puede producir varios litros de agua potable al día utilizando únicamente la luz solar como fuente de energía. Esta tecnología promete ser una solución disruptiva para millones de personas que viven en regiones con escasez de agua.
También en medicina
Los MOFs también son aliados en la purificación del agua. Son capaces de eliminar contaminantes persistentes, como los PFAS (a menudo llamados «químicos eternos»), que contaminan nuestras fuentes de agua y son muy difíciles de eliminar con métodos convencionales. Gracias a su diseño molecular, los MOFs pueden atrapar estas sustancias nocivas de manera selectiva y eficaz, ofreciendo una esperanza para limpiar ríos y acuíferos.
En el campo de la medicina, los MOFs se están explorando como vehículos para la administración de fármacos. Al encapsular un medicamento dentro de un MOF, es posible protegerlo y liberarlo de manera controlada directamente en las células enfermas, aumentando la eficacia del tratamiento y reduciendo los efectos secundarios.
Asimismo, tienen potencial para almacenar de forma segura gases tóxicos, mejorar la eficiencia de las baterías o actuar como catalizadores para acelerar reacciones químicas importantes.
Nuevo campo científico
El trabajo de Kitagawa, Robson y Yaghi ha creado además un campo científico completamente nuevo que continúa expandiéndose a un ritmo extraordinario. Actualmente se estima que más de 100.000 tipos de materiales MOF y COF han sido producidos por la química reticular en todo el mundo.
Los COF, o » Covalent Organic Frameworks» (estructuras orgánicas covalentes), de los que Omar Yaghi fue también pionero, son familiares cercanos de los MOF: mientras que los MOF combinan metales con moléculas orgánicas para formar redes porosas, los COF están construidos únicamente a partir de enlaces covalentes entre átomos orgánicos.
Ambos tipos de materiales permiten diseñar estructuras porosas ultraprecisas, pero los COF suelen destacarse por su ligereza y estabilidad química, ampliando aún más las aplicaciones posibles en el campo de la química avanzada.
