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Susumu Kitagawa, Richard Robson y
Omar M. Yaghi reciben el Premio Nobel de Química
2025 por el desarrollo de un nuevo tipo de arquitectura
molecular. Las construcciones que crearon, las estructuras
metal-orgánicas (metal-organic frameworks, MOF),
contienen grandes cavidades que pueden ser
llenadas/vaciadas con/de moléculas. Los investigadores los
han utilizado para recolectar agua del aire en el
desierto, extraer contaminantes del agua, capturar dióxido
de carbono o almacenar hidrógeno. |
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"Un estudio atractivo y muy espacioso, diseñado
específicamente para su vida como molécula de agua". Así es
como un agente inmobiliario podría describir las
estructuras metal-orgánicas que los laboratorios de
todo el mundo han desarrollado en las últimas décadas.
Construcciones de este tipo han sido hechas a medida
para capturar dióxido de carbono, separar PFAS (sustancias
per- y polifluoroalquiladas) del agua,
administrar productos farmacéuticos en el cuerpo o manejar
gases extremadamente tóxicos. Algunos pueden atrapar el
gas etileno de la fruta (para que así madure más.
lentamente), o encapsular enzimas que descomponen los
rastros de antibióticos en el medio ambiente.
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En 1974, Richard Robson pensó en qué
sucedería si utilizara las propiedades de los átomos para
unir diferentes tipos de moléculas? ¿Podría diseñar nuevos
tipos de construcciones moleculares? Inspirado
en la estructura del diamante, donde cada átomo de
carbono se une a otros cuatro, formando una pequeña
pirámide, Robson se propuso construir una estructura
similar, pero basada en iones Cu+,
y en el
4′,4",4''',4′′′′-tetracianotetrafenilmetano,
un compuesto que tiene cuatro "brazos", y al final de cada
uno de ellos un grupo nitrilo, que es atraído por los
iones de cobre.
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Tal como había predicho,
iones y moléculas se organizaron en una gran construcción
molecular y, al igual que los átomos de carbono en un
diamante, formaron una estructura cristalina regular. Sin
embargo, a diferencia del diamante, que es un material
compacto, este cristal contenía una gran cantidad de
grandes huecos.
En 1989,
Robson publicó sus resultados en el Journal of the
American Chemical Society. En su artículo, especula sobre
el futuro y sugiere que podrían ofrecer una nueva forma de
construir materiales a los que se les podrían dar
propiedades nunca antes vistas. |
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Un año
después de que se publicara su trabajo, Robson presentó
varios tipos de construcciones moleculares con cavidades
que estaban llenas de diversas sustancias y los usó
para intercambiar iones. Sumergió la estructura llena de
iones en un fluido que contenía otros diferentes y los iones cambiaron de lugar,
demostrando que las sustancias podían fluir hacia el
interior o hacia afuera. Esta nueva forma de construcción
molecular, correctamente diseñada, podría usarse para
catalizar reacciones químicas. |
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El problema
era que las construcciones de Robson eran inestables. Muchos
pensaron que inútiles, pero Susumu Kitagawa y Omar Yaghi (entre 1992 y
2003) hicieron una serie de aportaciones para
estabilizar los compuestos.
Susumo
Kitagawa, en 1997, publicó su primer gran avance.
Usando cobalto, níquel o iones zinc y una molécula
llamada 4,4'-bipiridina, su grupo de investigación creó
estructuras metal-orgánicas que formaban canales vacíos.
La estructura era estable y
los espacios podían llenarse de gases. El material podría
absorber y liberar metano, nitrógeno y oxígeno, sin
cambiar de forma.
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En 1998, presentó varias ventajas de los
MOF en el Boletín de la Sociedad Química de Japón.
Los estructuras de Kitagawa
se pueden crear a partir de muchos tipos
de moléculas, lo que les da un enorme potencial. Además, y
esto es importante, con los MOF se pueden obtener
materiales blandos, pues contienen bloques moleculares
flexibles. |
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En 1992, Omar Yaghi empezó a liderar un
grupo de investigación, en la Universidad Estatal de
Arizona, y orientó su trabajo hacia cómo ensamblar moléculas,
cual piezas de Lego, para obtener
cristales grandes. Todo un desafío que empezó a tener
resultados cuando comenzaron a combinar iones metálicos
con moléculas orgánicas. En 1995, Yaghi publicó la
estructura de dos materiales bidimensionales diferentes, similares a redes, que se mantenían unidos por cobre o
cobalto y podían albergar moléculas huésped en sus huecos.
Cuando los huecos se llenaban, era tan estable que se
podía calentar a 350 0C sin colapsar. Yaghi describió este
material en un artículo en Nature donde acuñó el nombre de
"estructura metal-orgánica". Este término se usa ahora
para describir estructuras moleculares ordenadas que
contienen cavidades y están construidas a partir de
metales y moléculas orgánicas.
Yaghi obtuvo un gran éxito en 1999, cuando presentó el MOF-5.
Este material se ha convertido en un clásico. Es una
construcción molecular excepcionalmente espaciosa y
estable. Incluso cuando está vacío, se puede calentar a
300 0C. Sin embargo, lo que asombró a muchos
investigadores fue la enorme área que se esconde en los
espacios cúbicos del material. Un par de gramos de MOF-5
contienen un área tan grande como un campo de fútbol, lo
que significa que puede absorber mucho más gas que una
zeolita.
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Posteriormente, desarrollaron un
"kit" molecular con una
amplia gama de piezas que se pueden utilizar
para crear nuevos MOF. Estos tienen diferentes formas y
características, lo que unido al uso de la IA, proporciona un potencial casi
ilimitado de diseño para diferentes
propósitos.
La figura proporciona ejemplos
de cómo se pueden utilizar los MOF.
Por ejemplo, el grupo
de investigación de Yaghi ha recolectado agua del aire del
desierto de Arizona. Durante la noche, su material MOF
capturó vapor de agua del aire. Cuando llegó el amanecer y
el sol calentó el material, recogieron agua.
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Los investigadores han creado numerosos MOF
con diferentes propiedades. Hasta ahora, en la mayoría de
los casos, los materiales solo se han utilizado a pequeña
escala. Para aprovechar los beneficios de los MOF, muchas
empresas están invirtiendo en su producción y
comercialización. Algunos han tenido éxito. Por ejemplo,
la industria electrónica usa materiales MOF
para retener algunos de los gases tóxicos que se
desprenden en la producción de semiconductores. En cambio, otro MOF puede
descomponer gases nocivos, incluidos algunos que pueden
usarse como armas químicas. Numerosas empresas también
están probando materiales que pueden capturar dióxido de
carbono de fábricas y centrales eléctricas para reducir
las emisiones de gases de efecto invernadero. |
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Algunos investigadores creen que los marcos
metal-orgánicos tienen un potencial tan enorme que serán
el material del siglo XXI. El tiempo lo dirá, pero a
través del desarrollo de estructuras metal-orgánicas,
Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar Yaghi han brindado
a los químicos nuevas oportunidades para resolver algunos
de los desafíos que enfrentamos. De este modo, como dice
el testamento de Alfred Nobel, han traído el mayor
beneficio a la humanidad.
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