Arquitectura molecular para recolectar agua del desierto o capturar dióxido de carbono
Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi reciben el Premio Nobel de Química 2025 por el desarrollo de un nuevo tipo de arquitectura molecular, los armazones metal-orgánicos: nuevas ‘habitaciones’ para la química
Los armazones metal-orgánicos concebidos por Kitagawa, Robson y Yaghi contienen grandes cavidades por las que las moléculas pueden entrar y salir. La comunidad científica los ha utilizado para extraer agua del aire del desierto, eliminar contaminantes del agua, capturar dióxido de carbono y almacenar hidrógeno.
«Un atractivo y muy espacioso estudio, diseñado especialmente para tu vida como molécula de agua»: así podría describir una agencia inmobiliaria uno de los muchos armazones metal-orgánicos desarrollados por laboratorios de todo el mundo en las últimas décadas. Otras construcciones de este tipo están hechas a medida para capturar dióxido de carbono, separar PFAS del agua, liberar fármacos en el cuerpo o neutralizar gases extremadamente tóxicos. Algunas incluso pueden atrapar el gas etileno de las frutas —para que maduren más lentamente— o encapsular enzimas que descomponen restos de antibióticos en el medio ambiente.
El Premio Nobel de Química 2025
En pocas palabras, los armazones metal-orgánicos (MOF, por sus siglas en inglés) son extraordinariamente útiles. Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar Yaghi reciben el Premio Nobel de Química 2025 por haber creado los primeros MOF y demostrado su potencial. Gracias a su trabajo, los químicos han podido diseñar decenas de miles de estructuras diferentes, facilitando nuevas maravillas químicas.
Como ocurre a menudo en ciencia, la historia del Nobel de Química 2025 comienza con alguien que pensó fuera de lo convencional. En este caso, la inspiración surgió durante la preparación de una lección clásica de química, en la que los estudiantes debían construir moléculas con varillas y esferas.
Un sencillo modelo de madera da una idea brillante
Era 1974. Richard Robson, profesor en la Universidad de Melbourne (Australia), debía convertir bolas de madera en modelos de átomos, para que los estudiantes pudieran crear estructuras moleculares. Para ello, pidió al taller de la universidad que perforara agujeros donde insertar las varillas —los enlaces químicos—. Pero los agujeros no podían colocarse al azar: cada átomo (carbono, nitrógeno, cloro…) forma enlaces de un modo específico. Robson tuvo que marcar exactamente dónde perforar.
Cuando el taller le devolvió las bolas, probó a construir algunas moléculas. Y entonces tuvo una revelación: la posición de los agujeros contenía una enorme cantidad de información. Los modelos se ensamblaban automáticamente con la forma correcta, simplemente por cómo estaban situados los agujeros. Esa observación le llevó a una pregunta: ¿qué pasaría si aprovechara las propiedades naturales de los átomos para unir distintos tipos de moléculas, en lugar de átomos individuales? ¿Podría diseñar nuevas construcciones moleculares?
Robson construye creaciones químicas innovadoras
Cada año, cuando usaba los modelos de madera en clase, la misma idea le volvía a la cabeza. Más de una década después decidió probarla. Comenzó con un modelo muy simple, inspirado en la estructura del diamante, donde cada átomo de carbono se une a cuatro más formando una pequeña pirámide. Robson quiso crear algo similar, pero basado en iones de cobre (Cu⁺), que también prefieren estar rodeados por cuatro átomos.
Combinó los iones de cobre con una molécula de cuatro brazos, el tetracianotetrafenilmetano. No hace falta memorizar su nombre, pero sí saber que en el extremo de cada brazo había un grupo nitrilo, químicamente atraído por los iones positivos de cobre.
En aquel tiempo, la mayoría de químicos habría pensado que esa mezcla daría un revoltijo sin orden. Pero ocurrió lo contrario: las afinidades químicas funcionaron y los componentes se organizaron por sí solos en una gran estructura cristalina. A diferencia del diamante, este nuevo cristal contenía enormes cavidades internas.
En 1989, Robson presentó su innovadora creación en la Journal of the American Chemical Society. En su artículo especulaba que esa podía ser una nueva forma de construir materiales con propiedades nunca vistas, potencialmente útiles. Y acertó.
Robson despierta un espíritu pionero
Al año siguiente, Robson publicó nuevas construcciones moleculares con cavidades llenas de distintas sustancias. En una de ellas demostró que los iones podían intercambiarse: al sumergir la estructura en un fluido con otros iones, estos reemplazaban a los anteriores, probando que las moléculas podían entrar y salir.
Demostró que era posible diseñar cristales con interiores amplios, optimizados para alojar sustancias específicas. Sin embargo, sus estructuras eran frágiles y tendían a desmoronarse, por lo que muchos pensaron que no servirían. Pero algunos vieron su potencial. Entre ellos estaban Susumu Kitagawa y Omar Yaghi, quienes entre 1992 y 2003 construirían los pilares sólidos de su visión.
El lema de Kitagawa: lo inútil puede volverse útil
Durante toda su carrera, Susumu Kitagawa ha seguido una máxima: “buscar la utilidad de lo inútil”. De estudiante, leyó un libro del Nobel Hideki Yukawa, quien citaba al filósofo chino Zhuangzi: debemos cuestionar lo que creemos útil, pues algo aparentemente inútil puede revelar su valor con el tiempo.
Así, cuando Kitagawa comenzó a crear estructuras moleculares porosas, no pensaba que tuvieran que servir a un propósito inmediato. En 1992 presentó su primera construcción: un material bidimensional con cavidades donde podían esconderse moléculas de acetona. No era especialmente útil, pero representaba una nueva forma de pensar en cómo “construir” con moléculas.
A pesar de las negativas a sus proyectos, Kitagawa persistió. En 1997 logró su primer gran avance: utilizando iones de cobalto, níquel o zinc y una molécula llamada 4,4′-bipiridina, su grupo creó armazones metal-orgánicos tridimensionales atravesados por canales abiertos. Al eliminar el agua, el material permanecía estable y podía llenarse de gases como metano, nitrógeno u oxígeno, sin deformarse.
Sin embargo, los financiadores seguían sin ver su atractivo. Ya existían materiales porosos como las zeolitas, basadas en dióxido de silicio, que absorbían gases. ¿Por qué invertir en algo parecido que funcionaba peor?
Kitagawa comprendió que debía definir qué hacía únicos a los MOF. En 1998, publicó su visión en el Bulletin of the Chemical Society of Japan: los MOF podían construirse a partir de muchas moléculas distintas, integrando múltiples funciones. Y, a diferencia de las zeolitas, podían ser flexibles.
Mientras Kitagawa desarrollaba estos materiales flexibles, al otro lado del Pacífico, Omar Yaghi llevaba la arquitectura molecular a nuevas alturas.
Una visita secreta a la biblioteca despierta a Yaghi
Para Omar Yaghi, estudiar química no fue una elección obvia. Creció con sus hermanos en una sola habitación en Ammán (Jordania), sin electricidad ni agua corriente. La escuela era su refugio. Un día, con diez años, se coló en la biblioteca cerrada del colegio y tomó un libro al azar. Lo abrió y quedó fascinado por los dibujos incomprensibles de estructuras moleculares. Fue su primer encuentro con la química.
A los 15 años, siguiendo la firme instrucción de su padre, se trasladó a Estados Unidos para estudiar. Le atraía el diseño de nuevos materiales, pero consideraba el método tradicional demasiado impredecible: mezclar sustancias, calentar y esperar, obteniendo tanto el producto deseado como muchos indeseados.
En 1992, ya como líder de grupo en la Universidad Estatal de Arizona, buscó un modo más controlado de construir materiales, uniendo componentes químicos como piezas de Lego para formar grandes cristales. Lo consiguió al combinar iones metálicos con moléculas orgánicas. En 1995 publicó dos materiales bidimensionales, como redes sostenidas por cobre o cobalto. Uno de ellos podía albergar moléculas “invitadas” sin colapsar incluso a 350 °C. En ese artículo en Nature acuñó el término “metal–organic framework” (marco metal-orgánico).
Unos pocos gramos pueden contener un campo de fútbol
En 1999, Yaghi presentó el material MOF-5, que se convertiría en un clásico: una estructura estable y espaciosa que soporta temperaturas de hasta 300 °C. Lo sorprendente era su enorme superficie interna: unos pocos gramos contienen un área equivalente a un campo de fútbol, mucho mayor que la de una zeolita.
Poco después, se desarrollaron los primeros MOF flexibles, entre ellos uno de Kitagawa, que “respiraba” gases como un pulmón: se expandía al llenarse y volvía a su forma original al vaciarse.
Yaghi extrae agua del aire del desierto
Entre 2002 y 2003, Yaghi completó los fundamentos de los MOF. En dos artículos, en Science y Nature, mostró que podían modificarse racionalmente para obtener distintas propiedades. Desarrolló 16 variantes del MOF-5 con cavidades de diferentes tamaños, una de las cuales almacenaba grandes volúmenes de metano, útil para vehículos alimentados con gas natural.
Desde entonces, los MOF han revolucionado la química de materiales. Se han convertido en un “kit molecular” con piezas intercambiables que permiten diseñar estructuras nuevas, incluso mediante inteligencia artificial. El grupo de Yaghi, por ejemplo, logró extraer agua del aire del desierto de Arizona: durante la noche el material capturaba vapor de agua y, al amanecer, el sol liberaba agua líquida.
Materiales para capturar CO₂ y gases tóxicos
Hoy existen centenares de MOF funcionales. Aunque la mayoría se usa aún a pequeña escala, muchas empresas trabajan en su producción masiva. Algunos ya se emplean en la industria electrónica para retener gases tóxicos usados en la fabricación de semiconductores; otros descomponen gases peligrosos, incluso armas químicas. También se están probando materiales para capturar dióxido de carbono en fábricas y centrales eléctricas.
- MOF-303: captura vapor de agua del aire del desierto y libera agua potable con el calor del sol.
- MIL-101: con cavidades gigantes, cataliza la descomposición de petróleo o antibióticos en aguas contaminadas; también almacena hidrógeno o CO₂.
- UiO-67: absorbe PFAS del agua, útil para su tratamiento.
- ZIF-8: se ha usado para extraer elementos de tierras raras de aguas residuales.
- CALF-20: con gran capacidad para absorber CO₂, se prueba en una planta de Canadá.
- NU-1501: almacena y libera hidrógeno a presión normal, una opción más segura que los tanques de alta presión.
El comité del premio Nobel comenta que los armazones metal-orgánicos tienen un potencial tan enorme que podrían ser el material del siglo XXI. El tiempo lo dirá, pero gracias a sus creaciones, Kitagawa, Robson y Yaghi han abierto a la química nuevas posibilidades para afrontar los grandes retos de la humanidad.
Fuente de la información: Popular information. Nobelprize.org. Nobel Prize Outreach 2025. Mon. Oct 13 2025.
