Ciència dels Materials: La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat la concessió del Premi Nobel de Química 2025 a Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi «pel desenvolupament de marcs metall-orgànics». Els tres guardonats es repartiran a parts iguals els 11 milions de corones sueques de la dotació del premi.
Susumu Kitagawa
北川 進 ( *4.7.1951) estudià a la Universitat de Kyoto. A partir del 1975 treballà en una tesi doctoral sobre química d’hidrocarburs al mateix centre, que defensà reeixidament el 1979. Seguidament fou nomenat professor ajudant a la Universitat de Kindai. El 1992 esdevingué professor de química inorgànica a la Universitat Metropolitana de Tokyo, fent-hi recerca al Departament de Química Sintètica i Química Biològica. En el 2007 co-fundà l’Institut de Ciències Integrades de Material Cel·lular, que dirigeix des del 2013.
Richard Robson
Richard Robson (*Glusburn, West Yorkshire, 1937) estudià química a la Universitat d’Oxford on es graduà en el 1959. Allà mateix realitzà la tesi doctoral amb estudis sobre la irradiació ultraviolada de complexos de transferència de càrrega i sistemes relacionats, que defensà reeixidament el 1962. Aquesta tasca la realitzà al Dyson Perrins Laboratory, en el grup de fotoquímica de molècules orgàniques de John Barltrop, amb una beca del Brasenose College. Entre el 1962 i el 1964 fou postdoc al California Institute of Technology, i després a la Stanford University (1964-65). El 1966 esdevingué professor de química a la University of Melbourne, on actualment ocupa una plaça honorària.
Omar M. Yaghi
عمر مونّس ياغي (Omar Mwannes Yaghi, *Amman, 9.2.1965) nasqué al si d’una família de refugiats palestins procedent d’Al-Masmiyya (Subdistricte de Gaza), establerta a Amman, la capital de Jordània. A quinze anys, esperonat pel seu pare, viatjà als Estats Units on estudià al Hudson Valley Community College, i més endavant a la State University of New York at Albany. Es graduà a la University of Illinois at Urbana-Champaign. Allà mateix va fer la tesi doctoral sota la supervisió de Walter G. Kemplerer, i la defensà reeixidament en el 1990. Fou postdoc al laboratori de Richard H. Holm de la Harvard University entre el 1990 i 1992. Fou professor ajudant a la Arizona State University entre el 1992 i el 1998. Després fou professor de química a la University of Michigan (1999-2006) i a la University of California, Los Angeles (2007-2012). Des del 2012 és professor de química a la University of California, Berkeley. A més de les nacionalitats palestina i jordana, és ciutadà de l’Aràbia Saudita des del 2021.
Els MOF com a polímers de coordinació
El marcs metalls-orgànics (MOF) són polímers de coordinació que formen materials porosos. Ofereixen un marc sòlid per on poden fluir gasos i líquids. Hom els pot emprar en la captura de gasos com el vapor d'aigua, el diòxid de carboni, etc., amb aplicacions diverses d'emmagatzematge, detoxificació o catàlisi. Pensem, per exemple, en la granja de captació d'humitat dels Lars a Tatooine
L’estructura dels MOF combina llargues cadenes orgàniques amb ions metàl·lics. El resultat és un cristall que conté grans cavitats. La porositat dels MOF i altres propietats (afinitat química, conductivitat elèctrica, capacitat catalítica, etc.) depenen dels monòmers que prenen part en la síntesi.
En el 1974, Richard Robson, com a professor de química de la University of Melbourne rebé l’encàrrec de preparar models d’àtoms a partir de boles de fusta, amb l’objectiu que els estudiants els fessin servir en la recreació d’estructures moleculars. Els àtoms eren representats per boles, i els enllaços químics entre els àtoms per bastonets de fusta. Calia, però, fer forats a les boles de fusta per poder ficar i treure els bastonets. Els forats, però, s’havien de fer seguint el comportament específic de cada element: el carboni amb una valència de 4, l’oxigen amb una valència de 2, els nitrogen amb una valència més variable… L’estructura molecular depenia de l’orientació geomètrica d’aquests forats, i això va fer pensar Robson en una tasca anàloga: dissenyar construccions a partir de molècules amb una capacitat limitada de formar enllaços. Any rere any li venia la mateixa idea al cap en veure aquells models àtoms i d’enllaços de fusta. Al cap de deu anys ideà un model inspirat en l’estructura d’un diamant, on cada àtom de carboni forma enllaços simples amb uns altres quatre àtoms de carboni formant un tetrahedre. En aquest cas la base seria el catió cuprós (Cu+).
En el 1989, Richard Robson treballava en la combinació de Cu+ amb 4′,4″,4”’,4””-tetracianotetrafenilmetà. Aquesta molècula orgànica tenia quatre braços acabats en un grup funcional nitril amb afinitat pel Cu+. El material resultant era un cristall porós, amb uns espais interiors ben ordenats, que Hoskins & Robson (1989) designaven com a ‘marc polimèric infinit’. No obstant, aquest material era inestable i col·lapsava fàcilment. En el 1990, Robson desenvolupà altres tipus de construccions moleculars amb cavitats que es podien omplir amb diverses substàncies (Hoskins & Robson, 1990; Gable et al., 1990). Una d’aquestes construccions era capaç bescanviar ions (Batten et al., 1991). Mitjançant un disseny racional, es podien fer construccions moleculars amb cavitats optimitzades per a la interacció amb substàncies químiques específiques, cosa que podia tenir un potencial en el disseny de nous catalitzadors. Aquests marcs, però, continuaven resultant massa inestables.
Entre el 1992 i el 2003, Susumu Kitagawa i Omar Yaghi treballaven de manera independent sobre com construir marcs metall-orgànic (MOF) que fossin prou estables. Kitagawa desenvolupà MOFs amb la capacitat de suportar fluxos bidireccionals de gasos, i investigava formes per fer MOFs flexibles. Yaghi aconseguí un MOF molt estable, però alhora modificable per disseny racional.
En el 1992 Kitagawa presentava una construcció molecular consistent en un material bidimensional amb cavitats que podien encabir molècules d’acetona. La construcció es fonamentava en l’ús de cations de coure com a lligands de molècules orgàniques més grans (Kitagawa et al., 1992). El MOF resultant era massa inestable.
En el 1992 Yaghi havia bastit un nou grup de recerca a l’Arizona State University dedicat al desenvolupament de noves eines de síntesi de materials. La combinació de ions metàl·lics i molècules orgàniques tenia potencial en el disseny racional de nous materials. En el 1995 presentà l’estructura en xarxa de materials bidimensionals que empraven Cu o cobat (Co) com a lligands. Si les cavitats d’aquests materials eren plenes, l’estructura es mantenia estable fins i tot a temperatures de 350°C (Yaghi et al., 1995).
En el 1994, el grup de Robson construïa a partir de porfirina estructures en xarxa amb grans canals (Abrahams et al., 1994).
En el 1997 el grup de Kitagawa creà un MOF que combinava la 4,4’-bipiridina amb ions Co, níquel (Ni) i zinc (Zn). Era un MOF tridimensional intersectat per canals oberts. La deshidratació feia que aquest MOF fos estable, i que els canals poguessin omplir-se amb gasos. Per exemple, podia absorbir i alliberar metà (CH4), nitrogen (N2) o oxigen (O2) sense canviar de forma (Yaghi et al., 1995).
El MOF de Kitagawa es podia comparar amb les zeolites, un material estable i porós fabricat a partir de diòxid de silici (SiO2). Ara bé, les zeolites resultaven en aquest sentit un material molt més pràctic. Kitagawa & Kondo (1998) postularen un avantatge del MOF sobre la zeolita: la possibilitat de dissenyar MOF d’estructura flexible. A més, els MOFs es podien fabricar a partir de diversos tipus de molècules
En el 1999, el grup de Yaghi presentava el MOF-5 (Li et al., 1999). Aquest material presenta un gran volum de cavitat i és molt estable. Fins i tot quan és buit, el MOF-5 resisteix temperatures de fins a 300°C sense col·lapsar.
El grup de Kitagawa presentà un MOF flexible. Aquest material, quan s’omplia d’aigua o de metà, canviava de forma, recuperant la forma original un cop buidat.
En el 2002 el grup de Yaghi demostrava la possibilitat de fer un disseny sistemàtic de la mida de por i de la funcionalitat de MOFs isoreticulars, amb aplicacions en l’emmagatzematge de metà (Eddaoudi et al., 2002). Yaghi denominà aquesta aproximació síntesi reticular (Yaghi et al., 2003).
Lligams:
- Comunicat de premsa de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències.
- Infinite polymeric frameworks consisting of three dimensionally linked rod-like segments. Bernard F. Hoskins, Richard Robson. J. Am. Chem. Soc. 111: 5962-5964 (1989).
- Design and construction of a new class of scaffolding-like materials comprising infinite polymeric frameworks of 3D-linked molecular rods. A reappraisal of the zinc cyanide and cadmium cyanide structures and the synthesis and structure of the diamond-related frameworks [N(CH3)4][CuIZnII(CN)4] and CuI[4,4',4'',4'''-tetracyanotetraphenylmethane]BF4.xC6H5NO2. B. F. Hoskins, Richard Robson. J. Am. Chem. Soc. 112: 1546-1554 (1990).
- A new type of interpenetration involving enmeshed independent square grid sheets. The structure of diaquabis-(4,4′-bipyridine)zinc hexafluorosilicate. Robert W. Gable, Bernard F. Hoskins, Richard Robson. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 10: 762 (1990).
- 3D Knitting patterns. Two independent, interpenetrating rutile-related infinite frameworks in the structure of Zn[C(CN)3]2. Stuart R. Batten, Bernard F. Hoskins, Richard Robson. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 6: 445 (1991).
- Synthesis of the novel infinite-sheet and -chain copper(I) complex polymers {[Cu(C4H4N2)3/2(CH3CN)](PF)6).cntdot.0.5C3H6O}.infin. and {[Cu2(C8H12N2)3](ClO4)2}.infin. and their x-ray crystal structures. Susumu Kitagawa, Megumu Munakata, Tadashi Tanimura. Inorg. Chem. 31: 1714-1717 (1992).
- Assembly of porphyrin building blocks into network structures with large channels. B. F. Abrahams, B. F. Hoskins, D. M. Michail & R. Robson. Nature 369: 727–729 (1994).
- Selective binding and removal of guests in a microporous metal–organic framework. O. M. Yaghi, Guangming Li & Hailian Li. Nature 378: 703-706 (1995).
- Functional Micropore Chemistry of Crystalline Metal Complex-Assembled Compounds. Susumu Kitagawa, Mitsuru Kondo. Bulletin of the Chemical Society of Japan 71: 1739-1753 (1998).
- Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework. Hailian Li, Mohamed Eddaoudi, M. O'Keeffe & O. M. Yaghi. Nature 402: 276-279 (1999).
- Systematic Design of Pore Size and Functionality in Isoreticular MOFs and Their Application in Methane Storage. Mohamed Eddaoudi, Jaheon Kim, Nathaniel Rosi, David Vodak, Joseph Wachter, Michael O'Keeffe, and Omar M. Yaghi. Science 295: 469-472 (2002).
- Reticular synthesis and the design of new materials. Omar M. Yaghi, Michael O'Keeffe, Nathan W. Ockwig, Hee K. Chae, Mohamed Eddaoudi & Jaheon Kim. Nature 423: 705-714 (2003).
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada