Il Premio Nobel per la Chimica 2025 è stato celebrato in Svezia lo scorso 9 ottobre

Richard Robson, Susumu Kitagawa e Omar Yaghi sono stati premiati con 11 milioni di corone svedesi per le loro nuove scoperte nel campo dei reticoli metallo-organici (MOF).

I MOF (metal-organic frameworks) sono enormi costruzioni molecolari che collegano ioni metallici a molecole organiche. Il risultato è una struttura tridimensionale piena di spazi vuoti. Sono simili nella struttura al diamante, ma a differenza di quest’ultimo, solido e denso, i MOF sono come spugne, in grado di assorbire e immagazzinare diverse sostanze come i gas.

Tutto è iniziato nel 1989, quando Richard Robson, attraverso un esperimento, costruì la prima struttura metallo-organica capace di trattenere gas. Dietro questa idea c’era un pensiero semplice: le molecole possono unirsi naturalmente grazie alle loro proprietà chimiche.

Nel suo esperimento ha utilizzato:

• Ioni di rame (Cu⁺), che hanno una carica positiva
• E un composto con quattro gruppi nitrile (-CN), ciascuno con una leggera carica negativa.

Come aveva previsto, queste molecole si attrassero naturalmente tra loro creando la prima struttura 3D con spazio interno. Sebbene avesse fatto una grande scoperta, la struttura era instabile e poteva facilmente rompersi.

Kitagawa accettò la sfida di migliorare la struttura.

Per farlo, utilizzò:

• Metalli più resistenti come Ni, Zn e Co.
• E gruppi di connessione migliori del nitrile, come la 4,4’-bipiridina.

Con questa combinazione ottenne connessioni più forti e una struttura 3D più stabile.

Yaghi continuò il loro lavoro e, nel 1999, creò un nuovo materiale: MOF-5.

MOF-5 si rivelò una struttura incredibilmente stabile, con un’enorme superficie interna. Solo pochi grammi erano sufficienti a riempire uno spazio equivalente a un campo da calcio. Questo fu rivoluzionario, poiché significava che poteva assorbire grandi quantità di gas, molto più delle zeoliti, che fino ad allora erano i materiali standard per l’immagazzinamento dei gas.

Personalizzò e creò 16 varianti di MOF-5, dimostrando che i MOF possono essere progettati con uno scopo specifico invece che assemblati casualmente.

Attualmente, i MOF rappresentano un importante argomento di ricerca. Alcuni esempi in questo campo includono:

• La combinazione di liquido ionico (IL)/MOF, che ha dimostrato prestazioni migliori nello stoccaggio dei gas rispetto ai MOF puri.

Poiché le emissioni di anidride carbonica (CO₂) hanno un impatto negativo significativo sul cambiamento climatico, gli scienziati stanno lavorando attivamente per trovare modi per catturare l’eccesso di carbonio rilasciato nell’atmosfera, principalmente dalle attività industriali.

Le simulazioni molecolari dei MOF incorporati con altre sostanze funzionali, come i IL, hanno mostrato un miglioramento nell’adsorbimento di CO₂.

I IL offrono il vantaggio di essere selettivi nell’attrarre molecole specifiche. Ad esempio, il [BMIM][SCN], un liquido ionico combinato con un MOF a base di zinco, IRMOF-1, si è dimostrato il più efficace nella cattura del CO₂.

• Con l’aumento dell’uso dei veicoli elettrici, sono necessarie batterie di grande capacità. Per questo motivo, gli scienziati stanno studiando l’implementazione della combinazione polimero/MOF in applicazioni reali.

Questa ibridazione ha mostrato miglioramenti nelle prestazioni e nella capacità energetica di batterie e supercondensatori. Sebbene i MOF abbiano uno spazio interno eccezionale, sono intrinsecamente cattivi conduttori elettrici. Combinandoli con polimeri conduttivi, i ricercatori hanno trovato un trasporto ionico e una stabilità più efficienti.  

Tra le combinazioni più promettenti vi sono PEO/UiO-66 e PVDF-HFP/ZIF-8, che hanno mostrato un potenziale significativo in studi recenti.

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