Três cientistas receberam o Prémio Nobel de Química de 2025 por identificar uma nova forma de arquitectura molecular: cristais com grandes cavidades internas.
Os laureados são Susumu Kitagawa, da Universidade de Quioto (Japão), Richard Robson, da Universidade de Melbourne (Austrália), e Omar M. Yaghi, da Universidade da Califórnia, em Berkeley (EUA). Eles vão dividir 11 milhões de coroas suecas (cerca de £ 870 mil).
A distinção reconhece as contribuições decisivas do trio para o desenvolvimento das estruturas metal‑orgânicas (MOFs).
O que são estruturas metal‑orgânicas (MOFs) e por que chamaram tanta atenção
As MOFs formam uma família ampla de materiais cristalinos que se destacam por trazerem cavidades microscópicas abertas na sua estrutura. Essas “salas” internas vêm ajudando a acelerar soluções de tecnologia verde - por exemplo, captar água do ar em regiões desérticas e recolher CO₂ para reduzir impactos do aquecimento global.
O tamanho dessas cavidades pode variar de alguns ångströms a vários nanómetros. Para referência, 1 Å = 10⁻¹⁰ m e 1 nm = 10⁻⁹ m. Em outras palavras, são dimensões pequenas demais para serem vistas a olho nu - e, em muitos casos, até para a maioria dos microscópios. Ainda assim, são exactamente do tamanho adequado para acomodar diferentes moléculas.
De polímeros de coordenação ao nascimento da química moderna das MOFs
A história que levou às MOFs começa no fim da década de 1950, quando investigadores passaram a descrever os chamados polímeros de coordenação. Esses materiais são construídos a partir de cadeias ligadas de iões metálicos (átomos que perderam ou ganharam electrões) e de moléculas orgânicas ricas em carbono que fazem a ponte entre os metais, conhecidas como ligantes (linkers).
Naquele momento, esses sistemas ainda não exibiam cavidades, mas assentavam na mesma química metal‑orgânica que, mais tarde, abriria caminho para as MOFs.
Já no fim da década de 1980, o grupo de Robson relatou que alguns polímeros de coordenação podiam ser obtidos como estruturas do tipo “armação” (frameworks). O aspecto crucial era que os ligantes orgânicos se organizavam em arranjos tridimensionais ao redor de aglomerados de moléculas de solvente líquido.
Como o próprio artigo do grupo observou, isso revelava “uma situação incomum em que aproximadamente dois terços do conteúdo de algo que é, sem dúvida, um cristal é efectivamente líquido”.
Na metade final da década de 1990, o grupo de Yaghi mostrou que era possível preparar polímeros de coordenação que mantinham a arquitectura mesmo depois que as moléculas de solvente eram removidas das cavidades.
O resultado surpreendeu porque derrubou a ideia dominante de que estruturas desse tipo seriam inevitavelmente frágeis e colapsariam quando o solvente fosse retirado.
Em 1997, o grupo de Kitagawa demonstrou que essas cavidades abertas podiam ser usadas para absorver moléculas de gás. Ele também evidenciou que, em muitos casos, a própria estrutura se expande à medida que o gás entra e se contrai quando o gás é libertado. Esses polímeros de coordenação com cavidades abertas e permanentes passaram então a ser conhecidos como MOFs.
Em conjunto, as descobertas dos três cientistas marcaram, na prática, o início da química moderna das MOFs, tema que desde então já gerou milhares de artigos científicos.
Ampla gama de aplicações das MOFs (estruturas metal‑orgânicas)
O que torna as MOFs tão atraentes para a química é que as cavidades microscópicas oferecem um “endereço” interno único e ajustável onde reacções e interacções podem ocorrer de modo controlado.
Uma aplicação central das MOFs é o armazenamento de gases. Em diversas situações, esses materiais conseguem reter gases a densidades muito maiores do que na forma gasosa livre.
Isso traz vantagens importantes para tecnologias mais limpas, como veículos com células a combustível, nos quais o hidrogénio precisa ser transportado da forma mais eficiente possível.
Além disso, muitas MOFs exibem elevada afinidade por gases específicos, o que permite separar misturas gasosas em correntes de exaustão e também capturar CO₂ do ar, ajudando a mitigar efeitos do aquecimento global.
As MOFs também podem funcionar como catalisadores de reacções químicas que acontecem dentro das cavidades. Uma vantagem prática é a relativa facilidade com que químicos conseguem trocar os metais e substituir os ligantes orgânicos, ajustando as propriedades do material para um objectivo bem definido.
Para além de gases, MOFs podem acolher outras moléculas pequenas, incluindo fármacos. Assim, elas podem servir para armazenar e transportar medicamentos até um alvo específico, enquanto a porosidade do material favorece uma libertação controlada dos compostos terapêuticos.
Nos últimos anos, as MOFs também têm mostrado potencial em várias frentes, como baterias, armazenamento de energia térmica e sensores químicos (dispositivos capazes de monitorizar e detectar substâncias, incluindo contaminantes). E, de forma promissora, ainda há muitas utilizações possíveis que permanecem por explorar.
Desafios e próximos passos para levar MOFs ao mundo real
Apesar do desempenho impressionante em laboratório, a adopção em larga escala de MOFs depende de superar obstáculos como estabilidade à humidade, resistência a contaminantes e durabilidade em ciclos repetidos de absorção e libertação. Em aplicações ambientais, por exemplo, pequenas degradações ao longo do tempo podem reduzir significativamente a eficiência de captura e armazenamento.
Outro ponto crítico é a produção em escala industrial com custos competitivos e menor impacto ambiental. Rotas de síntese mais simples, uso de solventes menos problemáticos e estratégias de reciclagem do material serão decisivas para que as MOFs se tornem soluções comerciais robustas.
Mesmo tendo sido identificadas há mais de três décadas, as MOFs continuam entre os temas mais dinâmicos da química de materiais - e tudo indica que permanecerão no centro das atenções por muitos anos.
John Griffin, Professor de Química de Materiais, Universidade de Lancaster
Texto republicado sob licença Creative Commons a partir de The Conversation; consulte a versão original para mais detalhes.
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