El desarrollo de estructuras metaorgánicas concede el Nobel de Química: ¿Por qué son tan importantes?
El trabajo de Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi fue reconocido por abrir una nueva era en la ingeniería molecular y en la lucha contra el cambio climático.
La Real Academia de las Ciencias de Suecia distinguió este miércoles al japonés Susumu Kitagawa, al británico Richard Robson y al jordano Omar M. Yaghi con el Premio Nobel de Química por sus logros en el desarrollo de las estructuras metaorgánicas, materiales porosos formados por la unión precisa de iones metálicos y moléculas orgánicas.
Estas arquitecturas tridimensionales, con cavidades microscópicas capaces de atrapar gases o líquidos, representan uno de los avances más prometedores de la química contemporánea.
Los llamados MOF (por su nombre en inglés, metal–organic frameworks) no solo permiten almacenar gases como hidrógeno o dióxido de carbono, sino también purificar agua, capturar contaminantes y fabricar medicamentos personalizados.
¿Qué son las estructuras metaorgánicas?
Son técnicamente, un tipo de material poroso formado por la combinación de iones metálicos con moléculas orgánicas que actúan como puentes y juntos crean una red tridimensional muy ordenada con espacios vacíos en su interior.
Gráfico de estructuras metaorgánicas. | Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Esas características propician que tengan una alta porosidad, una gran superficie interna, mucha versatilidad y una estabilidad variable, lo que las convierte en estructuras muy recomendables para almacenar gases como hidrógeno, metano o dióxido de carbono; para reducir las emisiones y combatir el cambio climático; para atrapar contaminantes o para fabricar fármacos, debido a la capacidad de encapsular moléculas dentro de sus poros.
Según datos recabados en la Fundación BBVA (que reconoció con su premio Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas a Omar Yaghi), estas estructuras reúnen muchas de las propiedades más deseadas por los químicos, entre ellas una gran capacidad de absorber otros compuestos, que se alojan dentro de sus poros.
También se destaca su alta versatilidad y selectividad, puesto que el tamaño del poro se adapta al compuesto que se desea atrapar, por lo que funcionan como "tamices moleculares" construidos a medida.
Gráfico de estructuras metaorgánicas. | Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Esas estructuras metaorgánicas son, en resumen, como estructuras de un rompecabezas a nivel molecular, un puzzle en el que se pueden cambiar las piezas para diseñar y construir un material con propiedades muy específicas.
¿Por qué son tan importantes?
Las metal–organic frameworks (MOF) poseen un potencial enorme, brindando oportunidades previamente imprevistas para materiales hechos a medida con nuevas funciones.
Las aplicaciones actuales y potenciales más importantes de los MOF se centran en la gestión de gases y sustancias químicas, el medio ambiente y nuevas funcionalidades físicas.
Una de las áreas de mayor potencial para los MOF es la resolución de "algunos de los mayores desafíos de la humanidad", como por ejemplo que pueden ser utilizados para capturar dióxido de carbono (CO2), recolectar agua del aire del desierto, y/o la purificación de agua y descomposición de rastros de productos farmacéuticos en el medio ambiente.
Gráfico de MOF capturando CO2. | Al-Rowaili et al.
Además, poseen destacadas funciones químicas y físicas, siendo una de sus principales características su diseño personalizable (o "racional"), el cual permite a los científicos que pueden modificar los MOF para dotarlos de propiedades nuevas y deseables.
De esa forma, pueden utilizar estas estructuras para catalizar (o impulsar) reacciones químicas, como conductores de electricidad, y para capturar y almacenar sustancias específicas (por ejemplo, gases tóxicos), por mencionar algunos de sus posibles usos.
¿Cómo se construyen molecularmente?
La estructura de los MOF depende de la combinación organizada de dos tipos de bloques de construcción, que se unen para formar cristales porosos: los iones metálicos, que funcionan como piedras angulares en la construcción, y moléculas orgánicas, que funcionan como enlaces que los iones.
La unión de los iones metálicos y las moléculas orgánicas se organiza para formar cristales que contienen grandes cavidades o grandes espacios, razón por la cual estos materiales son conocidos como materiales porosos.
En su modelo de ejemplo inicial, Robson utilizó una molécula de cuatro brazos, donde cada brazo terminaba en un grupo químico que era atraído por los iones de cobre.
Gráfico del modelo de ejemplo inicial de Robson. | Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
La estructura resultante es descrita como un cristal espacioso y bien ordenado, comparable a un diamante lleno de innumerables cavidades.
Esta porosidad y la capacidad de diseño racional (a medida) es lo que les otorga a los MOF un enorme potencial para una amplia gama de aplicaciones, como las descritas anteriormente.
Gráfico de estructuras metaorgánicas. | Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Gráfico de estructuras metaorgánicas. | Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Gráfico de MOF capturando CO2. | Al-Rowaili et al.
Gráfico del modelo de ejemplo inicial de Robson. | Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
