El Nobel de Química 2025 premia una nueva arquitectura molecular

Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi han ganado el Premio Nobel de Química 2025 por desarrollar estructuras metal-orgánicas, conocidas como MOF por sus siglas en inglés. Son materiales cristalinos formados por componentes metálicos y moléculas orgánicas que se conectan para crear redes con cavidades y canales internos. Esos espacios pueden capturar, almacenar o separar moléculas, una propiedad que abre posibilidades en ámbitos como la gestión de gases, la obtención de agua y la química industrial.

La importancia del trabajo no reside solo en haber creado sólidos muy porosos, sino en demostrar que sus espacios internos pueden diseñarse con una función concreta. Al modificar los componentes, los investigadores ajustan el tamaño de los poros y la química de sus paredes para favorecer la interacción con determinadas sustancias. El galardón, dotado con 11 millones de coronas suecas, reconoce así una nueva forma de construir materiales: en vez de limitarse a buscar propiedades entre los ya existentes, la química puede proyectar estructuras desde sus unidades moleculares.

Una red sólida con espacio para las moléculas

Un MOF se parece menos a un bloque compacto que a un edificio microscópico. Sus nodos metálicos funcionan como puntos de unión y las moléculas orgánicas actúan como piezas alargadas que los conectan. Cuando estos elementos se organizan, forman una estructura cristalina en tres dimensiones, con huecos que pueden comunicarse entre sí. Aunque el material parezca un polvo sólido, una parte considerable de su volumen puede estar vacía y disponible para alojar moléculas.

En algunos de estos materiales, hasta el 90 % del volumen puede corresponder a espacios internos. Un gramo de ciertas estructuras puede ofrecer una superficie interna de hasta 6.000 metros cuadrados, comparable a la de un campo de fútbol. No se trata de una superficie exterior extendida, sino de las paredes que recorren los poros y los canales del material. Esa enorme área facilita que las moléculas entren en contacto con el sólido, una condición decisiva para adsorber gases o retener sustancias.

La porosidad, por sí sola, no hace único a un MOF. Otros materiales, como las zeolitas, también contienen poros y se emplean desde hace tiempo en procesos químicos. La diferencia está en la capacidad de variar de manera amplia los metales, los componentes orgánicos y la geometría de la red. Así se puede modificar tanto la forma de las cavidades como la composición de sus paredes, y con ello cambiar qué moléculas pasan, cuáles quedan retenidas y con qué intensidad. Ese grado de ajuste convierte cada estructura en una posible herramienta molecular especializada.

De una idea geométrica a una nueva química

El camino que llevó al Nobel comenzó con una pregunta sobre la arquitectura de las moléculas. Richard Robson, químico de la Universidad de Melbourne, pensó en cómo las características de los átomos podían orientar la construcción de redes regulares. La intuición era que los enlaces entre componentes no tenían por qué producir únicamente moléculas pequeñas o sólidos compactos: también podían guiar la formación de estructuras ordenadas con grandes huecos internos.

En 1989, Robson publicó una de las primeras demostraciones de ese principio. Combinó iones de cobre con moléculas orgánicas capaces de conectarlos y obtuvo una estructura cristalina con cavidades. El material inicial era frágil y no ofrecía todavía una aplicación práctica clara, pero probaba algo fundamental: era posible construir redes porosas de forma racional, aprovechando las preferencias de enlace de sus componentes. La fragilidad de aquellas primeras estructuras no anulaba la idea; señalaba el problema que la investigación posterior tendría que resolver.

Susumu Kitagawa y Omar Yaghi dieron pasos decisivos para convertir esa intuición en una plataforma de materiales más funcionales. Kitagawa presentó estructuras porosas en 1992 y, en años posteriores, desarrolló redes tridimensionales capaces de absorber y liberar gases sin perder necesariamente su forma. En 1997, su grupo obtuvo materiales que podían alojar metano, nitrógeno y oxígeno en sus canales. El avance mostró que una estructura de este tipo podía ser estable y permeable, no solo una curiosidad cristalográfica.

Yaghi, por su parte, publicó en 1995 materiales de dos dimensiones y acuñó el término estructura metal-orgánica. En 1999 presentó MOF-5, una estructura especialmente espaciosa y estable que ayudó a atraer la atención de otros investigadores. Después, su trabajo contribuyó a establecer la química reticular, un enfoque para unir componentes mediante reglas geométricas previsibles y ampliar las redes de manera deliberada. Los tres laureados aportaron piezas distintas: Robson abrió una vía, Kitagawa exploró la flexibilidad y el comportamiento frente a los gases, y Yaghi consolidó un método de diseño que permitió multiplicar las estructuras posibles.

Qué significa diseñar un material desde sus poros

La química reticular permite pensar en un sólido como una red de unidades conectadas. La elección del metal y de las moléculas orgánicas influye en la forma final, del mismo modo que la geometría de las piezas condiciona la forma de una construcción. Si se alargan los componentes orgánicos, pueden ampliarse las cavidades; si se cambia el metal o se modifica la superficie interior, también varía la interacción con las moléculas que atraviesan el material. No es una receta que garantice cualquier resultado, pero sí un modo de orientar el diseño con mayor previsibilidad.

La capacidad de ajuste importa porque en una separación química no basta con que el material absorba mucho. También debe distinguir entre sustancias parecidas y permitir que las retenidas se liberen cuando sea necesario. Una estructura puede ofrecer una gran capacidad de almacenamiento, pero resultar poco útil si captura otras moléculas al mismo tiempo o si requiere demasiada energía para regenerarse. Por eso, el desarrollo de un MOF implica equilibrar capacidad, selectividad y estabilidad, en lugar de perseguir una sola propiedad aislada.

Algunas redes, además, son flexibles. Kitagawa estudió materiales que cambian de forma cuando incorporan o liberan moléculas y pueden volver a su configuración inicial. Esa respuesta reversible se ha comparado con la respiración: el sólido se abre, se adapta o se contrae durante el intercambio. La flexibilidad puede ser una ventaja si ayuda a capturar una sustancia de manera selectiva, aunque también plantea retos de diseño. El material debe cambiar sin desmoronarse y conservar su comportamiento a través de ciclos de uso, una diferencia importante entre una estructura atractiva en el laboratorio y un adsorbente útil en un proceso repetido.

Capturar gases, separar contaminantes y obtener agua

Una de las aplicaciones más estudiadas es la captura de dióxido de carbono. Algunos MOF pueden retener este gas en corrientes industriales y se investigan para separar contaminantes de mezclas más complejas. La ventaja potencial está en ajustar la afinidad de los poros para que el dióxido de carbono quede retenido y pueda recuperarse después. Sin embargo, el rendimiento observado en un experimento no equivale automáticamente a una solución a gran escala: influyen la composición real de los gases, la humedad, la velocidad del proceso y la energía necesaria para liberar el CO₂. La promesa es concreta, pero su valor depende de cómo funcione el material en condiciones reales.

También se explora el almacenamiento de hidrógeno y metano. En lugar de limitarse a comprimir un gas en un recipiente, una red porosa puede alojarlo en sus cavidades mediante interacciones con sus paredes. Algunos materiales, como NU-1501, se han optimizado para almacenar y liberar hidrógeno a presión normal. Otros se han investigado para almacenar metano. Estas líneas de trabajo no significan que los MOF hayan resuelto por sí solos el transporte y el almacenamiento de combustibles: la capacidad útil, la seguridad, la velocidad de carga y descarga y la estabilidad siguen condicionando su aplicación. Su interés consiste en ofrecer otra vía para manejar gases con estructuras diseñadas para ese cometido.

La obtención de agua a partir del aire muestra de forma especialmente clara cómo funcionan estos materiales. MOF-303 puede captar vapor de agua durante la noche y liberarlo cuando el sol calienta la estructura. El grupo de investigación de Yaghi ha probado esta estrategia en el aire seco del desierto de Arizona: el material absorbe humedad y, después, permite recoger agua. El principio es atractivo porque aprovecha cambios ambientales para impulsar el ciclo, pero no convierte el aire en una fuente ilimitada ni sustituye sin más a otras tecnologías de abastecimiento. Su potencial depende de las condiciones del lugar y de la escala del dispositivo; lo relevante es que un sólido poroso puede concentrar humedad ambiental.

El tratamiento del agua contaminada es otra área de investigación. Estructuras como UiO-67 se han estudiado para capturar PFAS, un grupo de sustancias persistentes, mientras que MIL-101 se ha utilizado en experimentos relacionados con la degradación de contaminantes, incluidos antibióticos. La afinidad de las paredes internas puede favorecer la retención de compuestos que resultan difíciles de eliminar con métodos convencionales. Aun así, una prueba de laboratorio no demuestra por sí sola que el material sea eficaz en todas las aguas: las mezclas reales contienen otras sustancias que pueden competir por los poros. La selectividad debe medirse en cada contexto y la regeneración del adsorbente también cuenta para valorar su utilidad ambiental.

Los MOF pueden alojar, además, sitios capaces de catalizar reacciones químicas. Sus cavidades actúan como pequeños entornos donde los reactivos se acercan a una superficie activa, y la forma del poro puede influir en qué transformaciones se producen. La comparación con una enzima ayuda a imaginar esa precisión, aunque no significa que todos los MOF igualen su eficiencia. El objetivo de la catálisis selectiva es favorecer una reacción concreta y reducir subproductos, consumo de energía o residuos. En otros casos, ciertos materiales se prueban para retener gases tóxicos o abastecer con mayor control procesos de la industria electrónica, donde se utilizan gases que requieren un manejo cuidadoso. Así, la arquitectura interna puede servir tanto para acelerar una reacción como para contener una sustancia.

Una familia amplia, no una solución universal

El desarrollo de los MOF ha generado una gran variedad de estructuras con propiedades diferentes. Algunas destacan por sus cavidades, otras por su flexibilidad o por la interacción con moléculas específicas. CALF-20, por ejemplo, se ha estudiado por su capacidad para absorber dióxido de carbono y se prueba en un contexto industrial. ZIF-8 se ha explorado para extraer elementos de tierras raras de aguas residuales. Estos ejemplos ilustran la amplitud del campo, pero no implican que cada material esté ya implantado de forma generalizada: muchos resultados siguen en fases de investigación, prueba o desarrollo. Conviene distinguir entre una aplicación posible y una tecnología extendida.

El nombre MOF describe una familia, no un único material con un comportamiento común a todos sus miembros. Cambiar un componente puede alterar la estabilidad, la flexibilidad o la afinidad por el agua. Algunos materiales son vulnerables a la humedad o a determinadas sustancias, mientras que otros se diseñan para resistir mejor esas condiciones. Por eso, no existe un MOF que sirva para cualquier gas o contaminante. Cada aplicación exige una combinación distinta de propiedades y el desarrollo suele empezar por definir qué molécula se quiere capturar, en qué mezcla aparece y cómo se espera recuperar el material. La personalización es su mayor ventaja y también una exigencia.

El campo tampoco parte de cero en materiales porosos. Las zeolitas, por ejemplo, son sólidos cristalinos utilizados para separar moléculas y catalizar reacciones. Los carbones activados también capturan sustancias y pueden resultar competitivos en coste y robustez. Los MOF amplían las opciones porque permiten una diversidad química mayor y un control más fino de los poros, pero eso no los convierte automáticamente en mejores. En un proceso industrial cuentan el precio, la vida útil, la facilidad de fabricación y la energía requerida, además del rendimiento químico. En ocasiones, la mejor solución puede ser combinar un MOF con otros materiales o reservarlo para una tarea en la que su selectividad específica marque una diferencia.

Del laboratorio a la producción: el trabajo pendiente

Una estructura que funciona como polvo en un laboratorio debe superar varios obstáculos antes de integrarse en un equipo. Para tratar grandes flujos, a menudo hay que convertir el material en partículas o piezas que mantengan el paso de los gases y no se deshagan con el uso. La forma de compactarlo puede reducir el acceso a los poros o cambiar la velocidad con la que las moléculas atraviesan el sólido. También hay que comprobar que el material resista la humedad, las impurezas y los ciclos de captura y liberación. Ese trabajo de ingeniería resulta menos visible que el diseño molecular, pero es esencial para llevar la química a una instalación real.

La fabricación plantea otra barrera. Algunas rutas de síntesis pueden necesitar disolventes o condiciones que dificultan producir grandes cantidades con un coste competitivo. Por eso se investigan métodos más eficientes, incluida la mecanoquímica, que emplea energía mecánica para impulsar reacciones, y la sonoquímica, que utiliza ondas sonoras. También se emplean herramientas de simulación computacional para explorar estructuras antes de fabricarlas. Estas estrategias pueden acortar la búsqueda de nuevos materiales o reducir el desperdicio, aunque cada proceso necesita validación. El diseño racional no elimina el ensayo experimental: lo orienta y ayuda a que cada prueba responda a una hipótesis más precisa.

La diferencia entre una demostración científica y una aplicación amplia se mide, finalmente, en condiciones de uso. Un adsorbente debe conservar sus propiedades, funcionar con mezclas reales y poder regenerarse sin consumir demasiada energía. En la captura de carbono, por ejemplo, importa cuánto gas se retiene y cuánto cuesta liberarlo; en la obtención de agua, el volumen producido debe ponerse en relación con el clima y el funcionamiento del dispositivo. El Nobel no certifica que todos esos desafíos estén resueltos. Reconoce la creación de una plataforma que permite abordarlos con nuevas herramientas y que ya ha dado lugar a pruebas fuera de la química fundamental, aunque la escala comercial varía según la aplicación.

Por qué el galardón reconoce una idea de largo recorrido

El trabajo premiado se desarrolló durante décadas y no nació como respuesta inmediata a un único problema. Robson propuso una arquitectura molecular ordenada; Kitagawa mostró que las redes podían interactuar con gases y comportarse de forma flexible; Yaghi ayudó a establecer la nomenclatura y los principios de una química capaz de construir estructuras a partir de unidades seleccionadas. La influencia de los tres se ve en la cantidad de materiales que otros investigadores han podido explorar desde entonces. El logro central fue abrir un espacio de diseño: hacer que la estructura del sólido forme parte de la pregunta química.

Ese cambio también explica por qué las aplicaciones potenciales son tan diversas. Los mismos principios generales permiten imaginar materiales para capturar dióxido de carbono, almacenar gases, extraer agua del aire o crear entornos donde se desarrollen reacciones. No significa que un único descubrimiento resuelva el cambio climático, la escasez de agua o la contaminación. Cada problema necesita una solución adecuada a su escala, y los MOF compiten con tecnologías que llevan más tiempo en uso. Pero ofrecen una caja de herramientas molecular más amplia, con la posibilidad de adaptar los poros a objetivos distintos y de integrar esos sólidos en sistemas mayores.

El Nobel de Química de 2025 distingue, por tanto, algo más que una clase de cristales porosos. Celebra una manera de pensar la materia en la que los huecos importan tanto como el sólido que los rodea. Esos espacios invisibles pueden decidir qué molécula entra, cuál queda fuera y qué transformación ocurre dentro de una cavidad. Que esa arquitectura llegue a contribuir a procesos más limpios o a nuevas formas de gestionar recursos dependerá de la estabilidad, el coste y la fabricación a escala. La idea que queda en pie es más amplia: diseñar el interior de un material puede cambiar lo que ese material es capaz de hacer.