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El químico Omar Yaghi, premio Fronteras del Conocimiento BBVA

Sus trabajos han abierto el camino para crear "nuevos materiales capaces de capturar CO2 o de obtener agua de la atmósfera"

Omar Yaghi, químico jordano-estadounidense  galardonado con el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas. / UCB

El químico jordano-estadounidense Omar Yaghi, catedrático en la Universidad de California en Berkeley, ha sido galardonado con ePremio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas "por su trabajo pionero en la concepción y síntesis de unos nuevos materiales cristalinos" conocidos como MOF y COF que han abierto una vía para la captura y el almacenamiento de dióxido de carbono (CO2) o la obtención de agua en la atmósfera, según subraya el acta del jurado.

Los nuevos materiales creados por Yaghi surgen de una química basada en el "ensamblaje de ladrillos" o piezas cuya estructura es cuidadosamente controlada de antemano, prosigue el jurado. Esta estrategia "ha conducido a un crecimiento exponencial en la creación de nuevos materiales con una diversidad sin precedentes en la química".

A este nuevo campo, el propio Yaghi lo ha bautizado como Química Reticular, y lo describe como "unir bloques moleculares mediante enlaces (bonds) muy resistentes para formar extensas estructuras". El acta resalta que "numerosos laboratorios en la academia y en la industria practican ahora esta estrategia".

Esponjas a escala molecular

En términos no técnicos, los MOF (metal organic frameworks) y los COF (covalent organic frameworks) son como esponjas cristalinas a escala molecular: materiales muy porosos en los que los poros o celdas se disponen formando una red ordenada y tienen un tamaño controlable a medida. Reúnen muchas de las propiedades más deseadas por los químicos, entre ellas una gran capacidad de absorber otros compuestos, que se alojan dentro de sus poros, así como una alta versatilidad y selectividad, puesto que el tamaño del poro se adapta al compuesto que se desea atrapar. Es decir, funcionan como tamices moleculares construidos a medida.

Según explica Yaghi, si un solo gramo de un material MOF se desplegara en una única lámina a escala atómica, sin poros, llegaría a cubrir 60 campos de tenis.

Los COF están compuestos por materiales orgánicos, mientras que los MOF combinan materiales inorgánicos, en concreto óxidos de metal, y orgánicos. En este caso los óxidos de metal son los enganches -donde se adhiere químicamente la molécula que debe cazar el tamiz-, y los compuestos orgánicos son los ligandos que los mantienen unidos formando la gran estructura porosa. El óxido de metal cambia en función de la molécula que se quiera capturar, mientras el tamaño del poro depende del compuesto orgánico.

Es esta capacidad de controlar el producto final lo que cautiva a Yaghi, que creó estos compuestos a mediados de los años 90: "Cuando yo era estudiante -explica- la creación de nuevos materiales se basaba simplemente en mezclar cosas, y lo que obtenías era básicamente lo que te proporcionaba la propia naturaleza; no tenías control sobre lo que obtenías. Pero me di cuenta de que no llegaría muy lejos juntando piezas, como quien construye un automóvil. Para mí, lograr la construcción de materiales de manera simple y racional, como lo hacemos ahora, era un sueño".

El sueño de Yaghi ha dado lugar a una nueva química actualmente en pleno desarrollo, con cientos de laboratorios en todo el mundo trabajando en aplicaciones con estos materiales porosos. El científico galardonado contabiliza ya "más de 60.000" clases diferentes de MOF desarrolladas.

Tres aplicaciones esenciales

Entre las aplicaciones potenciales destacan tres. Una es la captura de CO2: "Su captura es muy importante, y creo que los MOF son los mejores materiales para lograrlo", afirma Yaghi. "La dificultad aquí estriba en separar el CO2 de otros gases, incluyendo el agua. Los MOF son capaces de extraer específicamente el CO2 y separarlo para que no llegue a la atmósfera".

"Los MOF son capaces de extraer el CO2 y separarlo para que no llegue a la atmósfera"

Omar Yaghi

Químico. Catedrático en la Universidad de California en Berkeley

Los procesos de captura de dióxido de carbono que se usan actualmente emplean compuestos tóxicos, y, según explica el propio Yaghi, pueden consumir entre el 30%-40% de la energía que produce la central, ya que requieren calentar agua a altas temperaturas. Los MOF, que se sintetizan de forma sencilla y ambientalmente limpia, aún no están listos para su uso industrial en este ámbito, pero Yaghi opina que su implementación a gran escala  es factible. "Todos los experimentos que hemos realizado en nuestro laboratorio han demostrado que el uso de MOFs para la captura de CO2 es viable, aunque no me atrevo a predecir el tiempo que tardaremos todavía en poder aplicarlo en la industria”, asegura.

Mucho más inminente, en su opinión, es el uso de los tamices moleculares para absorber moléculas de agua del aire, incluso en ambientes secos -con menos de un 20% de humedad- y producir agua líquida, con el aporte únicamente de luz solar. "En la atmósfera hay muchísima agua, y la posibilidad de capturarla supondría una enorme transformación para grandes zonas del planeta", afirma Yaghi; "la dificultad es atraparla en zonas desérticas, pero hemos diseñado MOF capaces de recolectar agua en los poros, y posteriormente, tras calentarla con la luz solar, generar agua líquida. No tengo ninguna duda de que en los próximos 3 a 5 años existirá un aparato capaz de obtener agua pura de la atmósfera”. Yaghi acaba de publicar en la revistaScience un trabajo sobre esta aplicación.

Otra aplicación potencial es el almacenamiento de hidrógeno en recipientes mucho menos voluminosos que ahora. Al alojar las moléculas de hidrógeno en los poros del material se meter más gas en menos volumen -por  paradójico que parezca, cabe mucho más hidrógeno en un tanque lleno de MOF que en uno vacío-. Según Yaghi, la técnica está aún en fase preliminar de investigación, pero es de interés para desarrollar un futuro combustible limpio para vehículos basado en el hidrógeno.

La pasión visual por las moléculas

Omar M. Yaghi (Amán, Jordania, 1965) fue enviado por su familia a Estados Unidos para estudiar con solo 15 años. Su amor por la química surgió de contemplar dibujos de las estructuras de las moléculas: "Veía esos dibujos en mi colegio y me encantaban, aunque no sabía lo que eran -recuerda-. Más adelante lo descubrí y me fascinó saber que eran componentes de las cosas que no podemos ver con nuestros ojos".

Tras doctorarse en Química Inorgánica en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, su trayectoria investigadora y docente lo llevó a la Universidad Estatal de Arizona y luego a la Universidad de Michigan en Ann Arbo y a la Universidad de California Los Ángeles. Desde 2012 es titular de la Cátedra James y Neeltje Tretter de Química en la Universidad de California, Berkeley. Allí codirige el Instituto Kavli de Nanociencias de la Energía y la Alianza para la Investigación en California de BASF y Berkeley. Es titular de 44 patentes y de 25 solicitudes de patente publicadas en Estados Unidos.

Temas: Química · Madrid · BBVA

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