Nobel de Química 2025 a Kitagawa, Robson y Yaghi por crear materiales que limpian el aire

La Real Academia de las Ciencias de Suecia ha otorgado este miércoles el Premio Nobel de Química 2025 a Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi, a quien entrevistamos en este diario, por el desarrollo de estructuras moleculares con amplios espacios a través de los cuales pueden fluir gases y otras sustancias químicas. Estas estructuras, conocidas como estructuras metalorgánicas, pueden utilizarse para captar agua del aire del desierto, capturar dióxido de carbono, almacenar gases tóxicos o catalizar reacciones químicas.

En sus estructuras, los iones metálicos funcionan como pilares unidos por largas moléculas orgánicas (carbonadas). Juntos, los iones y moléculas metálicas se organizan para formar cristales que contienen grandes cavidades. Estos materiales porosos se denominan estructuras metalorgánicas (MOF). Al variar los componentes básicos de las MOF, los químicos pueden diseñarlas para capturar y almacenar sustancias específicas. Las MOF también pueden impulsar reacciones químicas o conducir electricidad. "Las estructuras metalorgánicas tienen un enorme potencial, brindando oportunidades nunca antes vistas para materiales a medida con nuevas funciones", afirma Heiner Linke, presidente del Comité Nobel de Química.

Todo comenzó en 1989, cuando Richard Robson experimentó con el uso de las propiedades inherentes de los átomos de una forma novedosa. Combinó iones de cobre con carga positiva con una molécula de cuatro brazos; esta tenía un grupo químico que era atraído por los iones de cobre en el extremo de cada brazo. Al combinarse, se unieron para formar un cristal ordenado y espacioso. Era como un diamante lleno de innumerables cavidades.

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Robson reconoció de inmediato el potencial de su construcción molecular, pero era inestable y colapsaba con facilidad. Sin embargo, Susumu Kitagawa y Omar Yaghi sentaron las bases de este método de construcción; entre 1992 y 2003, realizaron, por separado, una serie de descubrimientos revolucionarios. Kitagawa demostró que los gases pueden fluir dentro y fuera de las estructuras y predijo que los MOF podrían ser flexibles. Yaghi creó un MOF muy estable y demostró que puede modificarse mediante diseño racional, dotándolo de propiedades nuevas y deseables.

Tras los revolucionarios descubrimientos de los galardonados, los químicos han construido decenas de miles de MOF diferentes. Algunos de ellos podrían contribuir a resolver algunos de los mayores desafíos de la humanidad, con aplicaciones que incluyen la separación de PFAS del agua, la descomposición de trazas de fármacos en el medio ambiente, la captura de dióxido de carbono o la recolección de agua del aire del desierto.

Un modelo de madera de una molécula genera una idea

Corría el año 1974. Richard Robson, profesor de la Universidad de Melbourne (Australia), recibió el encargo de convertir bolas de madera en modelos de átomos para que los estudiantes pudieran crear estructuras moleculares. Para ello, necesitaba que el taller de la universidad les perforara agujeros para que las varillas de madera (los enlaces químicos) se unieran a los átomos. Sin embargo, los agujeros no podían colocarse al azar. Cada átomo (como el carbono, el nitrógeno o el cloro) forma enlaces químicos de una manera específica. Robson necesitaba marcar dónde debían perforarse los agujeros.

Cuando el taller le devolvió las bolas de madera, probó a construir algunas moléculas. Fue entonces cuando tuvo una revelación: había una gran cantidad de información incorporada en la posición de los agujeros. Las moléculas modelo tenían automáticamente la forma y la estructura correctas gracias a la ubicación de los agujeros. Esta revelación lo llevó a su siguiente idea: ¿qué pasaría si utilizara las propiedades inherentes de los átomos para unir diferentes tipos de moléculas, en lugar de átomos individuales? ¿Podría diseñar nuevos tipos de construcciones moleculares?

Cada año, cuando Robson sacaba las maquetas de madera para enseñar a los nuevos estudiantes, se le ocurría la misma idea. Sin embargo, transcurrió más de una década antes de que decidiera ponerla a prueba. Empezó con una maqueta muy sencilla, inspirada en la estructura de un diamante, en la que cada átomo de carbono se une a otros cuatro, formando una diminuta pirámide. El objetivo de Robson era construir una estructura similar, pero basada en iones de cobre con carga positiva (Cu+). Al igual que el carbono, prefieren estar rodeados por otros cuatro átomos.

Combinó los iones de cobre con una molécula de cuatro brazos: 4′, 4″, 4″, 4″-tetracianotetrafenilmetano. No hace falta recordar su complicado nombre, pero es importante que la molécula al final de cada brazo tuviera un grupo químico, el nitrilo, que se sentía atraído por los iones de cobre con carga positiva.

En aquel entonces, la mayoría de los químicos habrían asumido que la combinación de iones de cobre con las moléculas de cuatro brazos daría como resultado un caos de iones y moléculas. Pero las cosas salieron como Robson esperaba. Como él había predicho, la atracción inherente entre iones y moléculas era importante, por lo que se organizaron en una gran estructura molecular. 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 cavidades grandes.

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En 1989, Robson presentó su innovadora creación química en el Journal of the American Chemical Society. En su artículo, especula sobre el futuro y sugiere que esto podría ofrecer una nueva forma de construir materiales. Estos, escribe, podrían adquirir propiedades nunca antes vistas, potencialmente beneficiosas. Resultó que había previsto el futuro.

Robson impulsa un espíritu pionero en la química

Tan pronto como un año después de la publicación de su trabajo pionero, Robson presentó varios tipos nuevos de construcciones moleculares con cavidades rellenas de diversas sustancias. Utilizó una de ellas para intercambiar iones. Sumergió la construcción llena de iones en un fluido que contenía un tipo diferente de ion. El resultado fue que los iones intercambiaron su lugar, demostrando que las sustancias podían fluir dentro y fuera de la construcción. En sus experimentos, Robson demostró que el diseño racional puede utilizarse para construir cristales con interiores espaciosos, optimizados para sustancias químicas específicas. Sugirió que esta nueva forma de construcción molecular, correctamente diseñada, podría utilizarse para catalizar reacciones químicas, por ejemplo.

Sin embargo, las construcciones de Robson eran bastante precarias y tendían a desmoronarse. Muchos químicos las consideraron inútiles, pero algunos comprendieron que había dado con algo y, para ellos, sus ideas sobre el futuro despertaron un espíritu pionero. Quienes sentarían las bases de sus visiones fueron Susumu Kitagawa y Omar Yaghi. Entre 1992 y 2003, cada uno por separado, realizó una serie de descubrimientos revolucionarios. Comenzaremos en la década de 1990, con Kitagawa, quien trabajaba en la Universidad de Kindai, Japón.

El lema de Kitagawa: incluso lo inútil puede volverse útil

A lo largo de su carrera investigadora, Susumu Kitagawa ha seguido un principio importante: intentar ver "la utilidad de lo inútil". Incluso si algo no aporta un beneficio inmediato, puede resultar valioso. Cuando presentó su primera construcción molecular en 1992, no era particularmente útil: un material bidimensional con cavidades donde podían ocultarse moléculas de acetona. Sin embargo, era el resultado de una nueva forma de concebir el arte de construir con moléculas. Al igual que Robson, utilizó iones de cobre como piedras angulares, unidos entre sí por moléculas más grandes.

Kitagawa quería seguir experimentando con esta nueva tecnología de construcción, pero cuando solicitó subvenciones, los financiadores de la investigación no consideraron que sus ambiciones tuvieran sentido. Los materiales que creó eran inestables y carecían de propósito, por lo que muchas de sus propuestas fueron rechazadas.

Sin embargo, no se rindió y en 1997 logró su primer gran avance. Utilizando iones de cobalto, níquel o zinc y una molécula llamada 4,4′-bipiridina, su grupo de investigación creó estructuras metalorgánicas tridimensionales intersectadas por canales abiertos. Al secar uno de estos materiales, vaciándolo de agua, se volvió estable e incluso los espacios pudieron llenarse de gases. El material pudo absorber y liberar metano, nitrógeno y oxígeno sin cambiar de forma.

Kitagawa ve la singularidad de sus creaciones

Las construcciones de Kitagawa eran estables y tenían una función, pero quienes financiaban la investigación aún no veían su atractivo. Una razón era que los químicos ya contaban con zeolitas, materiales estables y porosos que podían construir a partir de dióxido de silicio. Estas pueden absorber gases, así que ¿por qué alguien desarrollaría un material similar que no funcionara tan bien?

Susumu Kitagawa comprendió que, si quería recibir subvenciones importantes, debía definir qué hacía únicas a las estructuras metalorgánicas. Así, en 1998, describió su visión en el Boletín de la Sociedad Química de Japón. Presentó varias ventajas de los MOF. Por ejemplo, se pueden crear a partir de muchos tipos de moléculas, por lo que existe un enorme potencial para integrar diferentes funciones. Además, y esto es importante, se dio cuenta de que los MOF pueden formar materiales blandos y maleables.

Una visita secreta a una biblioteca le abrió los ojos

Estudiar química no fue una opción obvia para Omar Yaghi. Él y sus numerosos hermanos se criaron en una sola habitación en Amán, Jordania, sin electricidad ni agua corriente. La escuela era un refugio de una vida por lo demás desafiante. Un día, cuando tenía diez años, se coló en la biblioteca de la escuela, que solía estar cerrada con llave, y cogió un libro al azar de la estantería. Al abrirla, sus ojos se sintieron atraídos por imágenes ininteligibles pero cautivadoras: su primer encuentro con las estructuras moleculares. A los 15 años, y siguiendo las estrictas instrucciones de su padre, Yaghi se mudó a Estados Unidos para estudiar. Se sintió atraído por la química y, con el tiempo, por el arte de diseñar nuevos materiales, pero la forma tradicional de construir nuevas moléculas le resultaba demasiado impredecible.

En 1992, cuando Yaghi asumió su primer puesto como líder de grupo de investigación en la Universidad Estatal de Arizona, buscaba formas más controladas de crear materiales. Su objetivo era utilizar el diseño racional para conectar diferentes componentes químicos, como piezas de Lego, y crear grandes cristales. Esto resultó ser un desafío, pero finalmente lo lograron cuando el grupo de investigación comenzó a combinar iones metálicos con moléculas orgánicas.

En 1995, Yaghi publicó la estructura de dos materiales bidimensionales diferentes; estos eran como redes y se mantenían unidos por cobre o cobalto. Este último podía albergar moléculas huésped en sus espacios y, cuando estos estaban completamente ocupados, era tan estable que podía calentarse a 350 °C sin colapsar. Yaghi describe este material en un artículo en Nature, donde acuña el nombre de "estructura metalorgánica"; este término se utiliza actualmente para describir estructuras moleculares extendidas y ordenadas que potencialmente contienen cavidades y están formadas por metales y moléculas orgánicas (carbonadas). Tan solo unos gramos de la estructura de Yaghi pueden contener un campo de fútbol.

Yaghi marcó un hito en el desarrollo de estructuras metalorgánicas en 1999, al presentar al mundo el MOF-5. Este material se ha convertido en un clásico en este campo. Se trata de una construcción molecular excepcionalmente espaciosa y estable. Sin embargo, lo que sorprendió a muchos investigadores fue la enorme área que se esconde dentro de los espacios cúbicos del material.

Crean agua potable a partir del aire del desierto

Omar Yaghi sentó las bases de las estructuras metalorgánicas en 2002 y 2003. En dos artículos, publicados en Science y Nature, demuestra que es posible modificar y cambiar los MOF de forma racional, dotándolos de diferentes propiedades. Una de sus acciones fue producir 16 variantes de MOF-5, con cavidades tanto más grandes como más pequeñas que las del material original. Una variante podía almacenar enormes volúmenes de gas metano, lo que, según Yaghi, podría utilizarse en vehículos alimentados con GNR.

Posteriormente, las estructuras metalorgánicas han revolucionado el mundo. Los investigadores han desarrollado un kit molecular con una amplia gama de piezas que pueden utilizarse para crear nuevos MOF. Estos presentan diferentes formas y características, lo que ofrece un potencial increíble para el diseño racional (o basado en IA) de MOF para diferentes propósitos. Por ejemplo, el grupo de investigación de Yaghi ha recolectado agua del aire del desierto de Arizona. Durante la noche, su material MOF capturó el vapor de agua del aire. Al amanecer y al calentarse el sol, pudieron recolectar el agua.

Los investigadores han creado numerosos MOF diferentes y funcionales. Hasta ahora, en la mayoría de los casos, estos materiales solo se han utilizado a pequeña escala. Para aprovechar los beneficios de los materiales MOF para la humanidad, muchas empresas están invirtiendo en su producción y comercialización en masa. Algunas han tenido éxito. Por ejemplo, la industria electrónica ahora puede utilizar materiales MOF para contener algunos de los gases tóxicos necesarios para producir semiconductores. Otro MOF puede, en cambio, descomponer gases nocivos, incluyendo 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.

"Es un reconocimiento bien merecido. Estos materiales poseen una estructura única que puede ser 'diseñada a medida'. En mis más de cuatro años de trabajo en este campo, he podido comprobar su extraordinaria versatilidad: desde la captura de contaminantes, hasta su uso en aplicaciones de energía para pilas de combustibles o incluso en tratamientos innovadores dentro de la nanomedicina. Este premio no solo celebra un avance científico, sino que destaca una tecnología con un potencial transformador", ha reaccionado Catalina Biglione, investigadora de la Unidad de Materiales Porosos Avanzados de IMDEA Energía.

En la misma línea se ha pronunciado Susana García López, catedrática de Ingeniería Química y de Procesos en la Heriot-Watt University: "El descubrimiento abrió la puerta a una extraordinaria variedad de aplicaciones, desde el almacenamiento y la separación de gases hasta la catálisis, la detección y la liberación controlada de fármacos. Esta diversidad estructural y química sin precedentes hace que los MOFs sean especialmente prometedores".