El premio Nobel Omar Yaghi dice que su invento cambiará el mundo

Las civilizaciones nombran sus edades según los materiales. En la escuela aprendemos sobre la Edad de Piedra, la Edad del Bronce y actualmente estamos en una era del silicio caracterizada por las computadoras y los teléfonos. ¿Qué podría definir la próxima era? Omar Yaghi, de la Universidad de California, Berkeley, cree que una familia de materiales que él mismo ayudó a desarrollar en la década de 1990 tiene buenas posibilidades. Son estructuras organometálicas (MOF), y descubrir cómo fabricarlas le valió una parte del Premio Nobel de Química de 2025.

Los MOF, y sus primos, las estructuras orgánicas covalentes (COF), son materiales cristalinos, pero lo que los distingue es su increíble porosidad. En 1999, Yaghi y sus colegas causaron sensación cuando sintetizaron un material a base de zinc llamado MOF-5 que estaba tan plagado de poros que un par de gramos tenían una superficie interna comparable a un campo de fútbol (ver diagrama a continuación). El interior del material era efectivamente muchísimo más grande que el exterior.

Durante décadas, Yaghi ha estado a la vanguardia de la creación de nuevos MOF y COF, una disciplina conocida como química reticular, y ha descubierto cuán útiles pueden ser. Debido a que otras moléculas pueden ser absorbidas por los abundantes poros de estos materiales, resultan ser excelentes para recolectar agua del aire árido del desierto, absorber dióxido de carbono de la atmósfera y mucho más. Yaghi habló con New Scientist sobre por qué es optimista acerca de este trabajo, el pasado, el presente y el futuro de la química reticular, y por qué cree que la era de estos materiales está a punto de comenzar.

Karmela Padavic-Callaghan: ¿Qué te llamó la atención originalmente sobre la química reticular?

Omar Yaghi: Cuando empezamos a trabajar con los MOF, no pensamos que abordaríamos desafíos sociales: era un desafío intelectual. Queríamos encontrar una manera de fabricar materiales, una molécula a la vez, como construir un edificio o programar moléculas como Lego. Pero este fue un desafío químico realmente formidable. Para muchas personas, se consideraba un artículo de fe que esto no funcionaría, que perseguirlo era una pérdida de tiempo.

¿Por qué diseñar materiales de esta manera parecía tan imposible?

El principal desafío con los materiales de construcción de manera racional es que, típicamente, cuando se mezclan los componentes químicos, terminan uniéndose de una manera desordenada y difícil de caracterizar. Esto no es sorprendente dadas las leyes de la física que nos dicen que la naturaleza tiende hacia una alta entropía o desorden. En cambio, queríamos terminar con cristales, con materia ordenada que tenga una estructura periódica repetida.

Es un poco como pedirle a una sala de niños que forme un círculo perfecto: requiere mucho trabajo y, cuando lo hacen, aún pueden disociarse o “soltar” las manos y luego tardar demasiado en completar el círculo nuevamente. Para decirlo de otra manera, intentábamos hacer lo que hace la naturaleza cuando cristaliza diamantes a lo largo de miles de millones de años, pero en un día. Pero en el fondo sabía que cualquier cosa puede cristalizarse si sabes cómo.

En 1999, sus instintos demostraron ser correctos y su equipo informó sobre la síntesis de MOF-5, que era estable sin precedentes. ¿Anticipaste que un material como este eventualmente podría resultar útil?

Identificamos un disolvente que podría ayudar a sintetizar MOF estables y luego pudimos comprender cómo funcionaba. Nos dimos cuenta de que tener sus moléculas en la mezcla era absolutamente crucial para modular la tendencia al desorden. Miles de investigadores han utilizado este método desde entonces.

Al principio, me entusiasmaba hacer cristales bonitos. Luego vimos sus grandes propiedades y pudimos decir: “Guau, ¿qué podemos hacer con esto?” Y una vez que sabes cuánta porosidad tienen estos materiales, inmediatamente piensas en atrapar gases. Estos materiales abarcan compartimentos del espacio donde puede asentarse una molécula de agua o dióxido de carbono u otra cosa.

Cuéntame cómo piensas sobre la fabricación de estos materiales en estos días.

Cuando cocino, no me gusta tener que hacer más de tres pasos y no uso mantequilla. Entonces, el desafío es cómo conseguir un plato maestro en tan pocos pasos y utilizando sólo ingredientes saludables. Esta filosofía también se extendió a mi química. En otras palabras, quiero mantener el proceso simple y usar solo los químicos que realmente necesitamos.

El primer paso es elegir la columna vertebral del material. El segundo es decidir el tamaño de sus poros. También puedes hacer química en el esqueleto y agregarle moléculas para ayudar a capturar otros compuestos en los poros. El tercer paso es dejar que el dióxido de carbono o cualquier cosa para la que hayas construido el material sea absorbido. Así de fácil y complejo es el proceso.

¿Qué tipo de nuevas tecnologías le ha permitido implementar este proceso?

Una vez que se aprende a diseñar materiales a nivel molecular, ese es el logro máximo: un cambio geológico. Mi visión, y la visión de la empresa que fundé en 2020, Atoco, es pasar de la molécula a la sociedad, mirar lugares donde no hay material para alguna tarea o se está haciendo mal, para luego diseñar racionalmente una mejor. A medida que mejoremos en la fabricación de materiales, mejoraremos los estándares sociales.

En 2024, informamos sobre el mejor material hasta ahora para capturar dióxido de carbono, llamado COF-999. Lo captura desde el aire y luego lo probamos durante más de 100 ciclos de captura. [expelling] dióxido de carbono aquí en Berkeley. Atoco pretende utilizar materiales reticulares como el COF-999 para construir módulos de captura de carbono que puedan funcionar en entornos industriales, pero también en edificios residenciales.

También hemos desarrollado materiales que pueden capturar miles de litros de agua al día de la atmósfera. Esta es la base de nuestros dispositivos, que pueden extraer vapor de agua del aire incluso en lugares donde la humedad es inferior al 20 por ciento, como las zonas desérticas de Nevada. Creo que dentro de 10 años, la recolección de agua será una tecnología cotidiana.

Existen otras tecnologías que pueden capturar agua, como dispositivos que condensan vapores atmosféricos, y hay otros dispositivos que también pueden capturar CO2. ¿Cómo se comparan los MOF y los COF?

Tenemos tanto control sobre la química que podemos fabricar nuestros dispositivos de forma sostenible. Podrían funcionar durante muchos, muchos años y, al final del recorrido de la parte MOF del dispositivo, se puede desmontar en agua de tal manera que ningún MOF escape al medio ambiente. Por lo tanto, en un mundo donde los MOF se escalan a niveles de varias toneladas y se utilizan en muchas aplicaciones diferentes, no enfrentaremos un “problema de desperdicio de MOF”.

Y estos dispositivos pueden ser mucho más eficientes energéticamente porque descubrimos, por ejemplo, cómo utilizar la luz solar ambiental para hacer que los recolectores de agua liberen agua. Para los dispositivos de captura de carbono, también podríamos utilizar el calor residual de los procesos industriales. [to get them to release CO2]lo que las haría más económicas y sostenibles que las tecnologías competidoras.

Pero todavía existen desafíos en materia de escalabilidad, hacer que los materiales sean químicamente estables y tener un control preciso sobre cómo y cuándo liberan las moléculas que absorben del medio ambiente. Por ejemplo, ya podemos fabricar MOF a escala de toneladas, pero todavía no podemos fabricar COF en cantidades tan grandes. Dentro de unos años, sospecho que seremos más grandes. Como otro ejemplo, para una recolección de agua aún mejor, debemos optimizar la forma en que los materiales retienen el agua: no puede ser ni demasiado fuerte ni demasiado débil.

Ahora también utilizamos agentes de inteligencia artificial para ayudar a optimizar los MOF y COF y hacer que el proceso de diseño sea lo más eficiente posible. En general, es fácil hacer un MOF o un COF, pero puede llevar un año hacer uno con propiedades específicamente optimizadas. Si un agente de IA pudiera hacerlo más rápidamente, eso sería transformador. Entré al laboratorio y les dije a todos que intentaran usar modelos de lenguaje grandes y ya duplicamos la velocidad a la que podemos crear algunos MOF nuevos.

¿Cuáles son los usos de la química reticular que cree que deberían entusiasmar a más personas?

La química reticular es actualmente un campo enorme: todavía se pueden fabricar millones de nuevos MOF y los químicos se están comportando un poco como niños en una tienda de dulces. Una idea atractiva es utilizar MOF para hacer lo que hacen las enzimas cuando aceleran reacciones químicas, un proceso llamado catálisis, que puede ayudar a sintetizar sustancias químicas útiles, como en el desarrollo de fármacos. Tenemos MOF que pueden hacer lo que pueden hacer las enzimas, pero podrían durar y funcionar por más tiempo que las enzimas. Esto está maduro para ser explotado con aplicaciones biológicas y terapéuticas en la próxima década.

Pero creo que los siguientes mejores casos de uso provendrán de los “materiales multivariados”, que son investigaciones de las que no se oye mucho porque sólo se llevan a cabo en mi laboratorio. Aquí, queremos crear MOF que no tengan la misma estructura de principio a fin, pero que tengan entornos enormemente diferentes dentro de ellos. Podemos hacerlos a partir de diferentes módulos que están “decorados” con diferentes compuestos, de modo que dentro del material habría microambientes muy diferentes que harían que moléculas específicas hicieran cosas específicas. En experimentos, ya hemos podido aprovechar esto para fabricar materiales que absorban gases de manera más selectiva y eficiente. Esto también supone un cambio en la mentalidad de los químicos. Los químicos no estamos acostumbrados a pensar en fabricar materiales heterogéneos o desiguales, pero queremos un esqueleto muy ordenado para un material combinado con entrañas muy heterogéneas.

¿Qué lo hace optimista sobre el futuro de los MOF y COF? Los “materiales milagrosos” han aparecido y desaparecido antes.

Aquí apenas hemos arañado la superficie y no nos faltan ideas. El campo se ha ido expandiendo desde la década de 1990. A menudo, los intereses de investigación disminuyen con el tiempo, pero eso no ha sucedido aquí, y si nos fijamos en el crecimiento de las patentes relacionadas con los MOF y los COF, también se ve un aumento exponencial allí. La gente todavía está buscando formas no sólo de resolver los desafíos intelectuales en química, sino también de encontrar nuevas aplicaciones y usos para estos materiales. Y me encanta cómo este trabajo combina la química orgánica e inorgánica en un solo campo, y ahora también incorpora la ingeniería y la inteligencia artificial. Se ha convertido en algo más que química: este tipo de investigación es una verdadera frontera científica.

Creo que estamos atravesando una revolución. No siempre parece así, pero algo especial está sucediendo. Podemos diseñar materiales como nunca antes lo habíamos hecho y conectarlos con usos como nunca antes lo habíamos hecho.

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