“Questi materiali sono come la borsa di Hermione: possono contenere enormi quantità di gas in un piccolo volume”. Il membro del Nobel committee Heiner Linke si è lanciato in questa bellissima metafora per spiegare le capacità dei metal-organic frameworks, oggetto del premio Nobel per la Chimica a Susumu Kitagawa, Richard Robson e Omar Yaghi.
L’idea da Nobel
La loro storia inizia in Australia, dove Richard Robson stava mettendo a punto alcune lezioni per i corsi di laurea usando dei modelli molecolari in plastica e già da qui si potrebbe divagare sull’importanza della didattica e della comunicazione per la creazione di conoscenza scientifica, ma mi limiterò a lasciare questa briciola di riflessione a lettori e lettrici. Robson, di fronte ai suoi modelli, ha immaginato un modo diverso di costruire quelle forme sfruttando le proprietà del rame e la rigidezza di alcune molecole organiche. L’idea era talmente valida che i risultati sperimentali furono quasi immediati: riuscì a creare un materiale in cui tutti gli atomi erano ben organizzati in una struttura cristallina simile al diamante con ampi canali che potevano ospitare piccole molecole. Nell’esperimento di Robson, molecole di solvente occupavano questi spazi: il materiale era senza dubbio solido e cristallino, ma la metà del suo contenuto era liquido. Fin dall’inizio, questi oggetti si sono mostrati in tutta la loro incredibile porosità e per Robson fu facile cogliere la potenza della sua idea.
Il primo MOF di Robson (fonte: Robson, 2024).
Il salto di qualità
Le procedure di laboratorio erano piuttosto semplici, se comparate ad altre in chimica organica e in chimica dei metalli: la tavola periodica e il mondo del carbonio mettevano a disposizione decine di metalli e una libreria infinita di molecole con cui giocare per creare nuove strutture. Il lavoro di Kitagawa e di Yaghi è diretta conseguenza di questa consapevolezza: dovevano solo trovare strategie riproducibili per rendere questi materiali stabili e utilizzabili. Kitagawa riuscì a dimostrare che la struttura porosa resta in piedi anche senza il solvente al suo interno e creò degli oggetti che cambiavano forma a seconda della presenza o meno di piccole molecole nei pori.
I suoi materiali sono quindi delle spugne che assorbono e rilasciano piccole molecole a seconda delle condizioni esterne e con le prime applicazioni concrete l’interesse per questo filone di ricerca crebbe. E con esso arrivò anche la necessità di trovare regole, procedure e nomenclature. Negli anni ’90 il giovane Omar Yaghi si prese carico di queste incombenze, cercando un design il più razionale possibile per questi materiali e nel 1995 pubblica su Nature i suoi risultati coniando il termine metal-organic frameworks, ovvero impalcature composte di metalli e molecole organiche. Era il salto di qualità tanto atteso: Yaghi aveva messo a punto procedure sperimentali modificabili e scalabili a seconda delle necessità, i suoi MOFs erano stabili anche oltre i 300 °C e avevano capacità assorbenti impensabili. Per misurare questa capacità, di solito la scienza dei materiali calcola l’area superficiale, ovvero l’area che un MOF mette a disposizione per interagire con le piccole molecole provenienti dall’esterno. Una zolletta di MOF-5, presentato nel 1999, ha un’area superficiale simile a quella di un campo da calcio e i suoi pori di dimensioni controllate possono assorbire una molecola bersaglio filtrandola via da tutto ciò che la circonda.
La struttura di MOF-5: la sfera gialla è il volume di un poro (fonte: Wikimedia).
Qualche anno fa, per esempio, fece notizia un esperimento in cui il team di Yaghi riuscì a raccogliere acqua dall’aria umida del deserto dell’Arizona, un risultato che Sapere ha anche riportato nel numero di ottobre 2022. La base teorica e pratica di Yaghi ha permesso un’ampia diffusione della ricerca sui MOFs in ogni angolo del mondo e il numero di possibili applicazioni tende all’infinito. La cattura diretta dell’anidride carbonica dall’atmosfera è quella a cui l’umanità guarda con maggior desiderio, nonostante tutti i limiti che questa tecnologia si porta dietro, come spesso Sapere ha discusso nelle sue pagine. I MOFs possono rispondere a molte altre necessità, come la purificazione di acque contaminate dai noti PFAs, lo stoccaggio dell’idrogeno, la catalisi di reazioni complesse o anche il rilascio controllato di farmaci.
Con il loro lavoro, Robson, Kitagawa e Yaghi hanno messo d’accordo svariati settori scientifici e anche per questo la comunità chimica attendeva da tempo che la commissione dei Nobel pronunciasse i loro nomi. L’intuizione di un professore impegnato ad aiutare i propri studenti ha dato vita a un’intera classe di materiali le cui applicazioni, di primo acchito, sembrano davvero uscite da un libro di Harry Potter.
Una piccola nota a margine
Kitagawa è forse il più fulgido esempio di profeta dell’inutile: ispirato da un libro di Hideki Yukawa, premio Nobel per la Fisica nel 1949, nella sua ricerca si pone l’obiettivo di cercare “l’utile nell’inutilità” e di non valutare un risultato sulla base di un “immediato beneficio”. È un pensiero che si è fatto spesso strada nella comunità chimica, come abbiamo raccontato nell’articolo “La Nanobellezza: quando la chimica diventa arte”. Molte tecnologie hanno avuto origine da un gioco, uno scherzo o un esperimento mal riuscito e i MOF sono tra queste.
Immagine di copertina: Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach
