¿Cómo una bola de madera se puede convertir en un premio Nobel? El camino duró 51 años, pero finalmente una estrategia pedagógica fue la inspiración para construir las nuevas arquitecturas moleculares que fueron galardonadas con el más reciente Premio Nobel de Química. La historia se remonta a 1974 y su protagonista es Richard Robson, profesor de la Universidad de Melbourne, Australia, quien aquel año convirtió bolas de madera en modelos atómicos para que los estudiantes pudieran crear estructuras moleculares.
Robson le solicitó al taller de la Universidad que perforara agujeros en las bolas de madera para que los enlaces químicos se simularan con varillas que pudieran unir a los átomos. Cada átomo tiene diferentes enlaces, por lo que los agujeros tendrían que ser marcados de manera específica. La simple tarea de marcar el lugar exacto de los orificios resultó en información reveladora. Robson se preguntó si sería factible diseñar nuevos tipos de construcciones moleculares.
La idea tardó una década en madurar, pero finalmente Robson experimentó con la estructura del diamante, donde cada átomo de carbono está unido a otros cuatro en forma de pirámide. En lugar de carbono utilizó iones de cobre y una molécula con cuatro brazos, cada uno con un nitrilo en el extremo para atraer el cobre. Al combinarse, las sustancias formaron un cristal ordenado, sin la dureza del diamante, pero con grandes cavidades. Había nacido una nueva forma de crear materiales con muchas potencialidades.
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Nuevos materiales para un nuevo mundo
Lo que había hecho Robson era crear un nuevo tipo de arquitectura molecular, basada en estructuras metalorgánicas (MOF). Entre publicaciones científicas y el intercambio de iones para la creación de nuevas construcciones moleculares, se sentaron las bases para que otros científicos experimentaran en este campo: Susumu Kitagawa y Omar M. Yaghi se unieron a esta aventura con la que finalmente los tres científicos han sido premiados con el Nobel de Química 2025.
La Real Academia Sueca de Ciencias justifica perfectamente su elección: “Las estructuras metalorgánicas que crearon son excepcionalmente útiles y contienen grandes cavidades por las que las moléculas pueden fluir hacia adentro y hacia afuera. Los investigadores las han utilizado para captar agua del aire del desierto, extraer contaminantes del agua, capturar dióxido de carbono y almacenar hidrógeno”.
Para contrarrestar los efectos de la contaminación y el deterioro de los recursos naturales se requieren nuevas y creativas soluciones. En este sentido, el dicho que mejor le ha funcionado al científico japonés Susumu Kitagawa es poder ver la útilidad de lo inútil. Las estructuras porosas que fue creando, en un principio no tenían una finalidad y eran inestables. Poco a poco, los objetivos se fueron clarificando.
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En 1998, Kitagawa propuso que las estructuras metalorgánicas podrían ser flexibles. Actualmente existen numerosos MOF flexibles que pueden cambiar de forma, por ejemplo, al llenarse o vaciarse de diversas sustancias. Kitagawa ha dicho que su sueño es llegar a separar los distintos componentes del aire y el agua para convertirlos en materiales de interés y potenciar el poder de las energías renovables.
La historia del tercer galardonado, Omar M. Yaghi, con estas estructuras empieza de manera más temprana. De niño solía ir a la biblioteca para escapar del hacinamiento de una habitación llena con 12 hermanos. A los 10 años, en una biblioteca de Amán, Jordania, su lugar de nacimiento, Omar tuvo la oportunidad de abrir un libro de química que lo dejó cautivado y le cambiaría la vida.
Las imágenes de las estructuras moleculares le parecían fascinantes y aunque no sabía de qué se trataba exactamente esa seductora geometría, estaba convencido de poder escudriñar sus secretos. A los 15 años fue a EU como refugiado palestino a estudiar y en 1992 asumió su primer cargo como líder de grupo de investigación en la Universidad Estatal de Arizona.
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Omar M. Yaghi fue el encargado de acuñar el nombre de “estructuras metalorgánicas” como tales y marcó un hito en su desarrollo cuando hace 26 años presentó al mundo el MOF-5, un material clásico en este campo de investigación, basado en una construcción molecular excepcionalmente espaciosa y estable: se puede calentar a 300 °C sin colapsar.
Sus experimentos para probar la efectividad de sus estructuras metalorgánicas lo han vuelto muy popular. El grupo de Yaghi ha recolectado agua del aire del desierto de Arizona. Durante la noche, su material MOF capturó el vapor de agua. Al amanecer pudieron recolectar agua bajo los primeros rayos del sol. Este método funciona con energía solar y permite obtener agua incluso en condiciones de muy baja humedad, representando un potencial avance para obtener el líquido potable en zonas áridas.
Soluciones múltiples
Los MOF han demostrado ser una potencial solución para el tratamiento del agua de dos maneras principales: extrayendola del aire y eliminando contaminantes. Su versatilidad estructural y gran área superficial los hacen ideales para captar agua de la atmósfera, incluso con baja humedad, y para filtrar impurezas en agua contaminada con metales pesados y químicos.
Existen muchas aplicaciones potenciales en la purificación del agua. Se han desarrollado MOFs capaces de absorber metales pesados como cobre, plomo y arsénico, así como eliminar también contaminantes orgánicos. Es así que ofrecen una vía prometedora para purificar aguas residuales y obtener agua de mayor calidad.
La necesidad de agua en el mundo requiere de soluciones creativas y concretas. Según datos de la ONU, 2 mil 200 millones de personas carecen de acceso a servicios de agua potable gestionados de forma segura. Mejores condiciones de agua, saneamiento e higiene podrían salvar la vida de 1.4 millones de personas al año. Otros datos de la misma institución marcan que el 44% de las aguas residuales domésticas no se tratan adecuadamente, lo que afecta gravemente los ecosistemas y la salud humana.
Los especialistas coinciden en que los MOF son una herencia global, cuyo conocimiento se ha ramificado en todo el mundo, de hecho, en el Journal of Materials Chemistry se publicó en 2019 una colaboración de investigadores de la UNAM y de la Universidad de Kioto, sobre un diseño para mejorar la captura de gases como CO2 y H2S. Ilich Argel Ibarra Alvarado, del Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM fue quien tuvo la experiencia de trabajar con Kitagawa, uno de los Premios Nobel recientemente galardonados.
México sigue presente en este tipo de investigaciones. Este noviembre próximo, precisamente la UNAM será sede de una conferencia en MOFs, COFs y materiales afines, en un encuentro que se desarrollará en Ciudad de México y Mérida, Yucatán. La llamada Conferencia Internacional de Empoderamiento de Mujeres en MOFs y Más Allá se realizará del nueve al 14 de noviembre con el objetivo de dar a conocer y celebrar las contribuciones de las mujeres científicas en el campo de los materiales porosos.
Según una publicación del año pasado de la revista Nature, los MOF son una de las clases de materiales más investigadas del siglo XXI. Se unen a otros materiales para formar una funcionalidad molecular, movilidad electrónica, resistencia mecánica, estabilidad química, estabilidad térmica y conductividad térmica excepcionalmente altas. En la actualidad, se calcula que desde 1990 se han diseñado más de 90 mil MOFs.
Además de intentar resolver graves problemas ambientales, también se utilizan en varias aplicaciones cotidianas que tienen que ver con la separación de gases, fotocatálisis, biosensores, luminiscencia, catálisis, terapia celular, obtención de imágenes biomédicas, administración de fármacos y detección de enfermedades. Es así que los científicos galardonados han desarrollado todo un kit molecular con una amplia gama de posibilidades.
La organización de La Real Academia Sueca de Ciencias contextualiza y señala que en la mayoría de los casos, estos materiales novedosos solo se han utilizado a pequeña escala en el mundo, pero ya muchas empresas están invirtiendo en su producción y comercialización en masa. La industria electrónica lo ha hecho para contener algunos de los gases tóxicos necesarios para producir semiconductores, mientras que otras empresas también están probando materiales que pueden capturar el dióxido de carbono de fábricas y centrales eléctricas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. La nueva química molecular está reinventando el futuro.
