Les (supernano)esponges que reescriuen la química

Susumu Kitagawa (Universitat de Kyoto, Japó), Richard Robson (Universitat de Melbourne, Austràlia) i Omar M. Yaghi (Universitat de Califòrnia, Berkeley, EUA) han estat guardonats amb el Nobel de química d’enguany per, en paraules del comitè, “crear noves regles per a la química”.

Imatge1. Esquema de l’estructura dels MOF, guardonats aquests 2025 en els premis Nobel de química - Autor: Jordi Díaz. Imatge creada amb IA 

Arquitectures invisibles que estan reescrivint la química

Els químics moderns han passat de ser “cuiners de fórmules” a ser arquitectes d’estructures moleculars: les xarxes metal·loorgàniques (els metal-organic frameworks, MOFs). Els MOF són xarxes cristal·lines on ions o clústers metàl·lics actuen com a nodes i s’uneixen a llargues molècules orgàniques (lligands) basades en carboni, generant cavitats i canals de mida ajustable. En la pràctica, funcionen com a supernanoesponges amb un ventall enorme d’aplicacions, especialment en la captura i l’emmagatzematge selectiu de substàncies.

Des de finals dels anys 80 del segle passat —quan Richard Robson va explorar noves maneres d’aprofitar les propietats intrínseques dels àtoms— i durant la dècada dels 90, amb les contribucions decisives de Kitagawa i Yaghi, els MOF han passat de ser una raresa de laboratori a ser una plataforma tecnològica transversal, i el seu impacte ja es nota en aplicacions com la captura de CO₂, l’emmagatzematge d’hidrogen, la purificació d’aigua, la catàlisi fina, els sensors i, fins i tot, en aplicacions per a la medicina. El Nobel d’aquest 2025 reconeix que dissenyar “bastides” poroses amb precisió atòmica ha obert rutes abans impensables per controlar reaccions, separar mescles complexes o “embotellar” molècules difícils.

Què és exactament un MOF?

Per fer-nos una idea del que és exactament un MOF, us proposo imaginar un LEGO químic format per dues parts:

• els nodes: són els ions o clústers metàl·lics (com Al, Zr, Cu, Fe…), que aporten geometria, estabilitat o l’acidesa de Lewis.

• les bigues orgàniques: són els lligands (carboxilats, imidazoles, fosfonats…), que aporten longitud, flexibilitat i funcionalitat.

Connectant nodes i lligands s’obtenen xarxes periòdiques amb porus, la talla i la química dels quals es poden ajustar. Aquesta modularitat permet fixar topologia, àrea superficial, mida de porus i llocs actius. El resultat: la disponibilitat de milers de m² de superfície interna per gram, on les molècules entren, s’ordenen i reaccionen amb selectivitat.

Imatge 2: Vuit cèl·lules de MOF-5 (també conegut com a IRMOF-1). Les esferes grogues i taronges s’han afegit per il·lustrar els porus presents en l’estructura - Autor: (CC BY-SA 3.0) Tony Boehle

Com es fabriquen (avui) els MOF: solvotèrmia, moduladors i paciència

En la majoria dels laboratoris, els MOF s’obtenen per síntesi solvotermal, en la qual les sals metàl·liques i els lligands, posats en un dissolvent (o barreja), s’escalfen en autoclau durant hores o dies. Ajustant l’acidesa i la força iònica i afegint moduladors (monocarboxílics, amines…) es governen la nucleació, la mida de cristall, els defectes i la topologia. També existeixen rutes “verdes” com la mecanoquímica i estratègies en flux continu per escalar.

Tanmateix, persisteix un límit clau: el creixement cristal·lí —i, per tant, la forma final del cristall—, que queda molt condicionat per la gravetat (convecció, sedimentació, gradients). Això limita l’orientació, introdueix defectes i dificulta fabricar pel·lícules contínues o monocristalls a mida per a dispositius.

El contrapunt: l’aproximació de ChemInFlow (UB)

Segons Josep Puigmartí, investigador de la Universitat de Barcelona —que el 2014 va conèixer Kitagawa— i cap del grup de recerca ChemInFlow:

“La natura és capaç de modelar la forma i la mida dels cristalls i, fent-ho, programa les seves propietats i funcions. Penseu en la calcita: segons la morfologia i l’escala, pot actuar com a sistema de sensing —com en les pues dels eriçons de mar— o com a closca protectora en els exoesquelets dels crustacis. Amb les tècniques actuals encara no assolim aquest nivell de control. Des de ChemInFlow volem capgirar aquest paradigma mitjançant microfluídica, recreant microgravetat per dirigir com creixen i s’organitzen els cristalls de MOF.”

Imatge 3: Josep Puigmartí amb el Nobel Susumu Kitagawa - Autor: Josep Puigmartí

Què canvia amb el seu mètode?

L’equip ChemInFlow utilitza dispositius microfluídics que confinen microlitres i suprimeixen la convecció i la sedimentació, imitant la microgravetat a la Terra. Aquest “micro-laboratori” ofereix control espai-temporal del creixement i de l’orientació cristal·lina. Amb aquesta aproximació han obtingut cristalls porosos 2D i, en particular, una pel·lícula contínua d’espessor mil·limètric d’un MOF conductor (p. ex., Ni₃(HITP)₂) amb propietats electròniques de llarg abast i conductivitats entre les més altes reportades en ambient. Abans, rendiments similars només s’assolien amb pèl·lets premsats a alta pressió. El missatge de fons és clar: a més de la química, la forma, l’orientació i la compacitat d’un MOF també es poden dissenyar.

Imatge 4. Síntesi de MOF

Com revolucionaran el nostre món els MOF? 

Les aplicacions principals són:

• Clima i aire: captura de CO₂ (postcombustió i DAC) amb porositat i química de superfície a mida; emmagatzematge d’H₂ i CH₄ a pressions moderades; i separacions difícils (olefines/parafines, isòmers aromàtics) utilitzant menys energia que la destil·lació.

• Aigua i medi ambient: extracció d’aigua de l’aire sec amb marcs superhidrofílics (línia impulsada per Yaghi); eliminació de PFAS, metalls pesants i microplàstics; i degradació de traces de fàrmacs.

• Energia i processos: catàlisi selectiva en “reactors moleculars” on controlem accés i orientació; creació de membranes híbrides (MMM) més eficients; electrocatàlisi i bateries amb versions conductores o derivats carbonosos.

• Salut i sensors: nanotransport de fàrmacs (NMOF) amb alliberament per pH/lum/redox; sensors òptics i electroquímics altament selectius.

• Electrònica porosa: MOF conductors/semiconductors (p. ex., Ni₃(HITP)₂) per a sensors de baixa potència i interfícies lleugeres.

Reptes per al futur dels MOF

Queden temes per resoldre en un futur sobre els MOF, com la durabilitat (humitat, pH, clorurs, cicles tèrmics), la síntesi sostenible (menys dissolvents, flux continu), la integració del pols a pel·lícules/monòlits/membranes (adhesió, orientació, defectes) i l’estandardització de mètriques comparables. Però justament per això, perquè aquests reptes de futur dels MOF tinguin resposta, aquest Nobel arriba en un moment molt oportú, perquè consolida una arquitectura de materials amb impacte real i accelera el pas de l’ampolla al dispositiu.

Kitagawa, Robson i Yaghi són tres pioners que han creat una nova manera de construir la matèria. No només han ampliat el catàleg de compostos sinó que han ensenyat a dissenyar la matèria amb intenció. En un món que necessita descarbonitzar, depurar i estalviar energia, els MOF ofereixen una caixa d’eines per programar funcions a escala molecular. Per això, el seu Nobel és més que un premi: és el segell d’una nova manera de fer química que perdurarà.