Distincția acordată de Academia Suedeză de Științe a fost acordată lui Susumu Kitagawa, Richard Robson și Omar M. Yaghi. Structurile metalorganice (MOF) sunt versatile și permit filtrarea, stocarea sau transformarea substanțelor.
Cuprins
Premiul Nobel pentru Chimie 2025 a distins o descoperire științifică care permite extragerea apei din aerul deșertului, captarea substanțelor poluante și stocarea gazelor periculoase, printre multe alte utilizări.
Academia Suedeză de Științe a anunțat că Susumu Kitagawa, de la Universitatea din Kyoto, Japonia; Richard Robson, de la Universitatea din Melbourne, Australia; și Omar M. Yaghi, de la Universitatea din California, Berkeley, Statele Unite, au fost premiați pentru dezvoltarea structurilor metalorganice, cunoscute sub numele de MOF, materiale cu spații interne care permit filtrarea, stocarea sau transformarea substanțelor.
Ce sunt structurile metalorganice (MOF)
MOF sunt „structuri moleculare cu spații largi prin care pot curge gaze și alte substanțe chimice”, conform definiției Comitetului Nobel.
Arhitectura lor moleculară permite utilizarea MOF în aplicații atât de diverse precum obținerea apei potabile în medii aride precum deșerturile, captarea dioxidului de carbon, stocarea hidrogenului și eliminarea contaminanților (PFAS) din apă.
„Acest premiu reprezintă recunoașterea unei dezvoltări cu trei aspecte foarte importante”, a explicat pentru Infobae Galo Soler Illia, cercetător la CONICET și director al Institutului de Nanosisteme (INS-EByN) de la Universitatea din San Martín (UNSAM). Cele trei aspecte relevante pe care Soler Illia le-a evidențiat în legătură cu structurile metalorganice (MOF) sunt:
- Utilizarea reacțiilor chimice simple și cunoscute (reacții de coordonare) pentru a construi materiale complexe din blocuri anorganice și organice, comparabile cu un „set de Lego” molecular.
- Originalitate structurală: materialele rezultate formează rețele solide poroase — ca „clădiri” cu camere — capabile să capteze sau să filtreze molecule în funcție de dimensiunea sau afinitatea chimică a acestora.
- Versatilitate și aplicații practice extinse: pot fi utilizate pentru a absorbi contaminanți, a stoca gaze precum hidrogenul, a elibera medicamente sau a capta apă din aer, iar în prezent producția lor este mai accesibilă și mai economică, ceea ce le face promițătoare din punct de vedere comercial.
La solicitarea Infobae, doctorul în chimie Florencia Di Salvo, profesor și cercetător la departamentul de Chimie Anorganică, Analitică și Chimie Fizică (INQUIMAE-CONICET, Facultatea de Științe Exacte și Naturale a UBA), a explicat că „MOF-urile sunt rețele bidimensionale și tridimensionale formate din ioni metalici și molecule organice care le interconectează. Ele pot fi considerate ca un fel de polimer de coordonare, cu cavități sau pori care le conferă proprietăți excepționale”.
Potrivit cercetătoarei, „aceste structuri se află la jumătatea drumului între chimia anorganică și cea organică: ionii metalici aparțin lumii anorganice, în timp ce conectorii sau linkerii organici, proiectați la comandă, provin din universul chimiei organice”.
Astăzi, MOF-urile sunt utilizate atât în laboratoare, cât și în industrie, deși multe funcții sunt încă în faza experimentală. Cu toate acestea, creșterea și potențialul lor sunt clare: există deja aplicații reale capabile să schimbe gestionarea mediului și a energiei la nivel mondial.
Pentru Di Salvo, „acest premiu Nobel nu numai că recompensează trei cercetători, ci recunoaște un întreg domeniu al științei materialelor care a reușit să înțeleagă și să controleze chimia din spatele acestor sisteme. Este surprinzător că premiul a venit abia acum, deoarece MOF-urile au revoluționat chimia și fizica materialelor în ultimele două decenii”.
Aplicații actuale și viitoare ale MOF-urilor
„Aceste materiale sunt ca niște clădiri în care moleculele organice acționează ca grinzi, iar ionii metalici ca conectori”, a explicat Soler Illia. „Prin unirea conectorilor cu grinzile, se formează mici camere – porii – capabile să capteze molecule de gaze sau de interes farmaceutic. Sunt ca niște plase de pescuit sau site care permit clasificarea sau reținerea anumitor substanțe.”
„Ne putem imagina MOF-urile ca un fel de burete solid”, a comparat Di Salvo. „Au pori microscopici în care se pot adăposti molecule sau gaze. În funcție de dimensiunea și forma acestor cavități, se pot proiecta materiale capabile să rețină vapori de apă, poluanți sau dioxid de carbon. Această porozitate controlată este ceea ce le face atât de versatile.”
- Obținerea apei potabile în zone aride sau deșertice. MOF-urile extrag vaporii de apă din aer în timpul nopții și îi eliberează în timpul zilei datorită căldurii solare.
- Captarea dioxidului de carbon în industrie. Eficiența lor în captarea CO₂ ajută la reducerea emisiilor poluante ale fabricilor și centralelor electrice.
- Eliminarea poluanților persistenți (PFAS). Unele MOF pot absorbi și elimina substanțele periculoase din apă.
- Stocarea hidrogenului și a gazelor periculoase. Acestea permit stocarea unor volume mari de hidrogen sau gaze toxice într-un mod mai sigur și mai eficient.
- Recuperarea elementelor valoroase din deșeuri. MOF-urile precum ZIF-8 pot extrage metale rare din apele industriale.
- Industria electronică. Sunt utilizate pentru a conține gazele necesare în fabricarea semiconductorilor, sporind siguranța.
- Descompunerea gazelor nocive. Unele MOF-uri neutralizează gazele care pot fi utilizate ca arme chimice.
„Printre primele aplicații care au fost prevăzute s-a numărat stocarea hidrogenului – un combustibil dificil de manipulat – în aceste pori microscopici, ceea ce permite stocarea acestuia în condiții de siguranță”, a subliniat Soler Illia. „De asemenea, pot acționa ca site moleculare care lasă să treacă anumite molecule și nu altele, sau chiar ca materiale capabile să capteze apa în medii aride”, a adăugat cercetătorul de la UNSAM.
În ceea ce privește utilizările acestor structuri, Di Salvo a subliniat: „Aplicațiile în cataliză sunt extrem de importante. Aceste materiale sunt utilizate atât în procesele de remediere și bioremediere, în medii lichide sau gazoase, cât și în absorbția și transportul moleculelor de interes. Datorită structurii lor poroase și prezenței ionilor metalici, MOF-urile pot capta gaze — chiar și toxice — sau pot acționa ca catalizatori, facilitând reacțiile chimice în propriile pori. Această combinație de stabilitate structurală și reactivitate le face instrumente foarte valoroase pentru diferite ramuri ale chimiei și industriei.”
Apă potabilă din aerul deșertului
Lucrările au început în anii 1970 cu ideea de a crea materiale personalizabile la scară atomică. Robson a proiectat primele cavități cristaline inovatoare. Kitagawa a îmbunătățit aceste materiale făcându-le flexibile, iar Yaghi le-a făcut și mai spațioase și mai rezistente. Astfel, s-a deschis ușa pentru crearea a zeci de mii de noi MOF, fiecare pregătit pentru sarcini specifice.
Una dintre cele mai impresionante realizări rezultate din munca lui Yaghi și a echipei sale a fost crearea de materiale capabile să extragă apă potabilă direct din aerul din mediile deșertice. Yaghi a pus bazele structurilor metalorganice în 2002 și 2003. În două articole, publicate în Science și Nature.
În deșertul Arizona, unde umiditatea ambientală este minimă și disponibilitatea apei este critică, MOF-urile sale au demonstrat o soluție inovatoare: pe timpul nopții, ele captează vaporii de apă din aer și, când materialul se încălzește odată cu răsăritul soarelui, eliberează lichidul pentru a fi colectat.
Acest sistem, care utilizează doar energia solară și propria structură a materialului, permite obținerea apei acolo unde înainte era de neconceput.
Referitor la potențialul acestor materiale de a aborda problema penuriei de apă, Soler Illia a explicat că structurile metalorganice funcționează ca un mic filtru capabil să capteze moleculele de vapori. „Dacă materialul este proiectat corespunzător”, a detaliat el, „apa poate pătrunde în acești pori minusculi și rămâne acolo reținută. Apoi, prin schimbarea presiunii, este posibil să fie eliberată și transportată în alt loc”. Cercetătorul a subliniat că acest principiu ar putea fi aplicat pentru a obține apă în medii aride sau pentru a o purifica în zone deșertice, chiar și în proiecte legate de minerit sau potabilizare în regiuni cu disponibilitate redusă de apă.
Richard Robson s-a inspirat din structura diamantului și, în loc de carbon, a utilizat ioni de cupru și o moleculă cu patru brațe, fiecare cu un nitril la capăt. Prin combinare, substanțele au format un cristal ordonat și foarte spațios
Capacitatea MOF-urilor de a se adapta și de a-și schimba structura în funcție de substanța stocată le face unice în comparație cu alte materiale mai rigide. De exemplu, MOF-303 este utilizat pentru captarea apei în medii uscate; MIL-101 catalizează descompunerea poluanților și stochează diferite gaze; UiO-67 elimină PFAS din apă; iar NU-1501 stochează hidrogen la presiune normală, îmbunătățind siguranța acestui combustibil.
Deși majoritatea acestor utilizări sunt în curs de dezvoltare, există deja exemple industriale cu rezultate concrete.
Potențialul MOF continuă să crească și oferă noi soluții pentru probleme precum lipsa apei, poluarea mediului și tranziția către energii curate.
Progresul în domeniul MOF a fost posibil datorită viziunii de a combina discipline precum chimia anorganică, știința materialelor și nanotehnologia. Pe măsură ce munca lui Robson, Kitagawa și Yaghi a fost recunoscută, echipe din întreaga lume au început să cerceteze modul de modificare a structurilor pentru sarcini specifice. Astăzi, există zeci de mii de MOF diferite, iar lista se extinde de la an la an.
În 1999, Yaghi a construit un material foarte stabil, MOF-5, care prezintă spații cubice. Doar câteva grame pot conține o suprafață mare cât un teren de fotbal.
Schimbul științific internațional a fost esențial. Laboratoarele din Asia, Oceania, America și Europa colaborează atât la proiectarea și sintetizarea de noi materiale, cât și la transferul acestor tehnologii către aplicații reale. Universitățile și companiile își unesc eforturile pentru a explora utilizări agricole, industriale, medicale și de mediu.
Între timp, cercetătoarea de la Departamentul de Chimie Anorganică, Analitică și Chimie Fizică (INQUIMAE, UBA-CONICET) a reamintit că „progresul în acest domeniu a fost vertiginos: dacă ne uităm la numărul de articole științifice despre MOF din anul 2000 până astăzi, creșterea este exponențială. Acest lucru arată cum această linie de cercetare a devenit centrală pentru gândirea materialelor viitorului”.
Dincolo de laborator: provocările MOF
- Scalabilitate: Una dintre marile provocări este producerea MOF la scară largă, în mod economic și durabil. Există deja inițiative industriale pentru fabricarea MOF în cantități de tone, dar este necesară optimizarea proceselor pentru a reduce costurile și deșeurile.
- Integrarea în dispozitive și sisteme: Nu este suficient să se creeze un MOF: este necesar să se dezvolte în formate utile, cum ar fi membrane, filtre sau capsule, și să se testeze în condiții reale de funcționare.
- Reglementări și siguranță: Înainte de adoptarea lor pe scară largă, aceste materiale trebuie evaluate pentru a se asigura că producția și eliminarea lor finală nu generează noi riscuri pentru mediu sau pentru sănătate.
- Educație și dezvoltare locală: Formarea oamenilor de știință și a tehnicienilor din țările în curs de dezvoltare este esențială pentru ca beneficiile MOF să ajungă în toate colțurile planetei.
Dacă cercetarea și aplicarea practică vor continua să avanseze, MOF ar putea deveni protagoniști în lupta împotriva penuriei de apă, reducerea gazelor cu efect de seră și remedierea solurilor și apelor contaminate.
„Aceste materiale sunt extrem de originale, au multiple aplicații și, în plus, astăzi pot fi fabricate mult mai economic decât acum un deceniu”, a subliniat Soler Illia. „Acest lucru le face atractive din punct de vedere comercial și deschide un spectru enorm de cercetare și dezvoltare. Este, în definitiv, un nou set de construcție pentru chimie, cu posibilități aproape nelimitate.”
