“Capacious extremis!”. Per capire il senso della scoperta valsa il Nobel per la chimica al giapponese Susumu Kitagawa dell’Università di Tokyo, all’inglese Richard Robson della University of Melbourne e al giordano Omar M. Yaghi della University of California, è utile richiamare Hermione Granger, storica protagonista della saga di Harry Potter, che con la sua formula magica riusciva ad ampliare lo spazio interno di un oggetto – tipicamente la sua borsa – senza modificarne l’aspetto esterno: un incantesimo di estensione non rilevabile. Qualcosa di simile a quello che faceva Mary Poppins.
Una nuova forma di architettura molecolare
Kitagawa, Robson e Yaghi hanno fatto qualcosa del genere costruendo, all’interno di materiali porosi, prigioni molecolari per i gas. Prigioni che sono strutture ordinate e molto resistenti: catene ibride che uniscono la duttilità delle strutture di carbonio con la forza degli ioni di metalli. Hanno sviluppato una nuova forma di architettura molecolare.
Nelle loro strutture, gli ioni metallici fungono da pilastri collegati da lunghe molecole organiche (a base di carbonio). Insieme, gli ioni metallici e le molecole sono organizzati per formare cristalli che contengono grandi cavità. Questi materiali porosi sono chiamati strutture metallo-organiche (MOF). Variando i mattoni utilizzati nelle MOF, i chimici possono progettarle per catturare e immagazzinare sostanze specifiche. I ricercatori hanno creato numerosi MOF diversi e funzionali.
Create nuove strutture metallo-organiche
Tutto ebbe inizio nel 1989, quando Richard Robson sperimentò un nuovo modo di utilizzare le proprietà intrinseche degli atomi. Combinò ioni rame caricati positivamente con una molecola a quattro bracci, la cui struttura chimica era attratta dagli ioni rame all’estremità di ciascun braccio. Quando si unirono, formarono un cristallo ordinato e spazioso. Era come un diamante pieno di innumerevoli cavità. Robson riconobbe immediatamente il potenziale della sua costruzione molecolare, ma questa era instabile e collassava facilmente. Nei suoi esperimenti, Robson ha dimostrato che la progettazione razionale può essere utilizzata per costruire cristalli con interni spaziosi, ottimizzati per sostanze chimiche specifiche. Ha suggerito che questa nuova forma di costruzione molecolare, se progettata correttamente, potrebbe essere utilizzata, ad esempio, per catalizzare reazioni chimiche.
Il passo ulteriore fu renderle stabili e flessibili
Tuttavia, le costruzioni di Robson erano piuttosto traballanti e tendevano a sgretolarsi. Molti chimici le ritenevano inutili, ma alcuni capivano che aveva trovato la strada giusta e, in loro, le sue idee sul futuro risvegliavano uno spirito pionieristico. Coloro che avrebbero gettato solide basi per le sue visioni furono Susumu Kitagawa e Omar Yaghi. Tra il 1992 e il 2003 fecero – separatamente – una serie di scoperte rivoluzionarie.
Kitagawa dimostrò che i gas possono fluire dentro e fuori dalle costruzioni e predisse che i MOF potevano essere resi flessibili. Yaghi creò un MOF molto stabile e dimostrò che può essere modificato utilizzando una progettazione razionale, conferendogli proprietà nuove e desiderabili. Nel 1995, infatti Yaghi pubblicò la struttura di due diversi materiali bidimensionali; erano come reti tenute insieme da rame o cobalto. Quest’ultimo poteva ospitare molecole nei suoi spazi e, quando questi erano completamente occupati, era così stabile da poter essere riscaldato a 350 °C senza collassare.
Yaghi descrive questo materiale in un articolo su Nature in cui conia il nome “struttura metallo-organica”; questo termine è ora utilizzato per descrivere strutture molecolari estese e ordinate che potenzialmente contengono cavità e sono costruite da metalli e molecole organiche (a base di carbonio). Omar Yaghi ha posto gli ultimi mattoni nelle fondamenta delle strutture metallo-organiche nel 2002 e nel 2003. In due articoli, pubblicati su Science e Nature, ha dimostrato che è possibile modificare e cambiare i MOF in modo razionale, conferendo loro proprietà diverse.
Un MOF ti cambia (un po’) la vita. In meglio
Grazie alle rivoluzionarie scoperte dei vincitori, i chimici hanno creato decine di migliaia di MOF diversi. Alcuni di questi potrebbero contribuire a risolvere alcune delle più grandi sfide dell’umanità, con applicazioni che includono la separazione dei PFAS dall’acqua, la scomposizione di tracce di farmaci nell’ambiente, la cattura dell’anidride carbonica o la raccolta di acqua dall’aria del deserto.
Il gruppo di ricerca di Yaghi ha in effetti raccolto acqua dall’aria del deserto dell’Arizona. Durante la notte, il loro materiale MOF ha catturato il vapore acqueo dall’aria. Poi il sole ha riscaldato il materiale e sono stati in grado di raccogliere l’acqua. molte aziende stanno investendo nella loro produzione e commercializzazione di massa. Alcune ci sono riuscite. Ad esempio, l’industria elettronica può ora utilizzare i materiali MOF per contenere alcuni dei gas tossici necessari per produrre semiconduttori. Un altro MOF può invece scomporre i gas nocivi, compresi alcuni che possono essere utilizzati come armi chimiche. Numerose aziende stanno inoltre testando materiali in grado di catturare l’anidride carbonica da fabbriche e centrali elettriche, per ridurre le emissioni di gas serra. Non è l’arma finale, ma uno strumento utile per giungere con maggiore facilità alle necessarie emissioni zero. Si è aperto un mondo ed Hermione ne sarebbe orgogliosa. E così Mary Poppins. Solo che stavolta è scienza e non magia.
