Las estructuras metalorgánicas que crearon contienen grandes cavidades por las que las moléculas pueden fluir hacia adentro y hacia afuera
Autoría: Información popular. NobelPrize.org. Divulgación del Premio Nobel 2025. Miércoles 8 de octubre de 2025. <https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/popular-information/>
La Real Academia Sueca de Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Química 2025 a Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi “por el desarrollo de estructuras metalorgánicas”.
Los galardonados desarrollaron un nuevo tipo de arquitectura molecular. Las estructuras metalorgánicas que crearon contienen grandes cavidades por las que las moléculas pueden fluir hacia adentro y hacia afuera. Los investigadores las han utilizado para extraer agua del aire del desierto, extraer contaminantes del agua, capturar dióxido de carbono y almacenar hidrógeno.
Han creado nuevas salas para química
Un atractivo y espacioso estudio, diseñado específicamente para tu vida como molécula de agua: así es como un agente inmobiliario podría describir una de las estructuras metalorgánicas que laboratorios de todo el mundo han desarrollado en las últimas décadas. Otras construcciones de este tipo están diseñadas específicamente para capturar dióxido de carbono, separar PFAS del agua, administrar fármacos al organismo o gestionar gases extremadamente tóxicos. Algunas pueden atrapar el gas etileno de la fruta (para que madure más lentamente) o encapsular enzimas que descomponen los restos de antibióticos en el ambiente.
En pocas palabras, las estructuras metalorgánicas son excepcionalmente útiles. Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar Yaghi recibieron el Premio Nobel de Química 2025 por crear las primeras estructuras metalorgánicas (MOF) y demostrar su potencial. Gracias al trabajo de los galardonados, los químicos han podido diseñar decenas de miles de MOF diferentes, lo que ha facilitado nuevas maravillas químicas.
Como suele ocurrir en las ciencias, la historia del Premio Nobel de Química 2025 comienza con alguien que se inspiró en ideas innovadoras. Esta vez, la inspiración surgió durante los preparativos de una clase clásica de química, en la que los estudiantes debían construir moléculas con barras y esferas.
Un modelo simple de madera de una molécula genera una idea
Era 1974. Richard Robson, profesor de la Universidad de Melbourne, Australia, recibió el encargo de convertir bolas de madera en modelos atómicos 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 pudieran unir 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?
Robson crea creaciones químicas innovadoras
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 un modelo muy sencillo, inspirado en la estructura de un diamante, en el que cada átomo de carbono se une a otros cuatro, formando una diminuta pirámide (figura 2). 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 es necesario recordar su complicado nombre, pero es importante que la molécula al final de cada brazo tuviera un grupo químico, el nitrilo , que era atraído por los iones de cobre con carga positiva (figura 2).
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 (figura 2).
En 1989, Robson presentó su innovadora creación química en la Revista de la Sociedad Química Americana . 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 aporta un espíritu pionero a 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 posiciones, 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 consideraban inútiles, pero algunos comprendían 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 las cosas inútiles pueden volverse útiles
A lo largo de su carrera investigadora, Susumu Kitagawa ha seguido un principio fundamental: intentar ver la utilidad de lo inútil. Siendo estudiante, leyó un libro del Premio Nobel Hideki Yukawa . En él, Yukawa menciona a un antiguo filósofo chino, Zhuangzi, quien afirma que debemos cuestionar lo que creemos útil. Incluso si algo no aporta un beneficio inmediato, puede resultar valioso.
En consecuencia, cuando Kitagawa comenzó a investigar el potencial de crear estructuras moleculares porosas, no creía que tuvieran un propósito específico. Cuando presentó su primera construcción molecular en 1992, esta no era particularmente útil: un material bidimensional con cavidades donde se podían ocultar las 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, quienes financiaban 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 (figura 3). Al secar uno de estos materiales, vaciándolo de agua, se volvió estable e incluso los espacios se pudieron llenar con gases. El material podía 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 cumplían 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 fuera tan eficaz?
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, pueden crearse a partir de muchos tipos de moléculas, lo que supone un enorme potencial para integrar diferentes funciones. Además, y esto es importante, se dio cuenta de que los MOF pueden formar materiales blandos. A diferencia de las zeolitas, que suelen ser materiales duros, los MOF contienen bloques de construcción moleculares flexibles (figura 4) que pueden crear un material maleable.
Después de esto, solo le quedaba poner en práctica sus ideas. Kitagawa, junto con otros investigadores, comenzó a desarrollar MOF flexibles. Mientras trabajan en ello, nos centraremos en EE. UU., donde Omar Yaghi también se dedicó a llevar la arquitectura molecular a nuevas alturas.
Una visita secreta a la biblioteca le abre los ojos a Yaghi sobre la química.
Estudiar química no fue una opción obvia para Omar Yaghi. Él y sus numerosos hermanos crecieron 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. Le atraía la química y, con el tiempo, el arte de diseñar nuevos materiales, pero la forma tradicional de construir nuevas moléculas le resultaba demasiado impredecible. Normalmente, los químicos combinan sustancias que deben reaccionar entre sí en un recipiente. Luego, para iniciar la reacción química, calientan el recipiente. Se forma la molécula deseada, pero a menudo también va acompañada de diversos subproductos contaminantes.
En 1992, cuando Yaghi asumió su primer cargo como líder de grupo de investigación en la Universidad Estatal de Arizona, buscaba formas más controladas de crear materiales. Su objetivo era usar un diseño racional para conectar diferentes componentes químicos, como piezas de Lego, y crear cristales grandes. 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).
Sólo unos pocos gramos del armazón 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. Incluso vacío, puede calentarse a 300 °C sin colapsar.
Sin embargo, lo que sorprendió a muchos investigadores fue la enorme área que se esconde dentro de los espacios cúbicos del material. Un par de gramos de MOF-5 ocupan un área tan grande como un campo de fútbol, lo que significa que puede absorber mucho más gas que una zeolita (figura 5).
Hablando de las diferencias entre las zeolitas y los MOF, los investigadores tardaron solo unos años en desarrollar MOF blandos. Uno de los que logró presentar un material flexible fue el propio Susumu Kitagawa. Al llenar su material con agua o metano, cambiaba de forma, y al vaciarse, recuperaba su forma original. El material se comportaba de forma similar a un pulmón que puede inhalar y exhalar gas, cambiante pero estable.
El grupo de investigación de Yaghi crea agua potable a partir del aire del desierto
Omar Yaghi sentó las bases para 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 (figura 6). Una variante podía almacenar grandes volúmenes de gas metano, lo que, según Yaghi, podría utilizarse en vehículos alimentados con GNR.
Posteriormente, las estructuras metalorgánicas han conquistado el mundo. Los investigadores han desarrollado un kit molecular con una amplia gama de piezas que permiten 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. La Figura 7 muestra 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 el vapor de agua del aire. Al amanecer y al calentar el material con el sol, pudieron recolectar el agua.
Materiales MOF que capturan dióxido de carbono y gases tóxicos
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 utilizarse como armas químicas. Numerosas 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.
Algunos investigadores creen que las estructuras metalorgánicas tienen un potencial tan enorme que serán el material del siglo XXI. El tiempo lo dirá, pero mediante el desarrollo de estas estructuras, Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar Yaghi han brindado a los químicos nuevas oportunidades para resolver algunos de los desafíos que enfrentamos. Por lo tanto, como afirma el testamento de Alfred Nobel, han aportado el mayor beneficio a la humanidad.
La Real Academia Sueca de Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Química 2025 a
SUSUMU KITAGAWA
. Nació en 1951 en Kioto, Japón. Doctor en 1979 por la Universidad de Kioto, Japón. Profesor de la Universidad de Kioto, Japón.
RICHARD ROBSON
. Nació en 1937 en Glusburn, Reino Unido. Doctor en 1962 por la Universidad de Oxford, Reino Unido. Profesor de la Universidad de Melbourne, Australia.
OMAR M. YAGHI
Nacido en 1965 en Ammán, Jordania. Doctorado en 1990 por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, EE. UU. Profesor en la Universidad de California, Berkeley, EE. UU.
“para el desarrollo de estructuras metalorgánicas”
Editores científicos: Peter Brzezinski, Heiner Linke, Olof Ramström y Xiaodong Zou, Comité Nobel de Química
Texto: Ann Fernholm
Traducción: Clare Barnes
Ilustraciones : Johan Jarnestad
Editor: Alicia Hegner
© Real Academia Sueca de Ciencias
Autoría: Información popular. NobelPrize.org. Divulgación del Premio Nobel 2025. Miércoles 8 de octubre de 2025. <https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/popular-information/>
