Per millenni, le civiltà umane hanno definito le loro epoche in base ai materiali dominanti del loro tempo: pietra, bronzo, silicio. Ora, il premio Nobel Omar Yaghi sostiene che sta nascendo una nuova era, guidata da una classe rivoluzionaria di materiali noti come strutture metallo-organiche (MOF) e strutture organiche covalenti (COF). Queste strutture cristalline, introdotte per la prima volta negli anni ’90, possiedono una porosità senza pari, creando di fatto materiali in cui il volume interno supera di gran lunga la dimensione esterna. Questa scoperta, premiata con il Premio Nobel per la Chimica 2025, è pronta a rimodellare le industrie, dalla raccolta dell’acqua alla cattura del carbonio.
La svolta: sfruttare la costruzione molecolare
Il lavoro di Yaghi è incentrato sulla “chimica reticolare”, l’assemblaggio preciso di materiali a livello molecolare. A differenza della sintesi materiale tradizionale, che spesso dà luogo a strutture disordinate, la chimica reticolare mira a forme cristalline perfette e ripetitive. La sfida era immensa; la natura stessa favorisce il disordine, facendo sembrare impossibile la creazione di materiali stabili e ordinati su larga scala.
Tuttavia, nel 1999, il team di Yaghi ha sintetizzato il MOF-5, un materiale a base di zinco con un’area superficiale senza precedenti: pochi grammi equivalenti allo spazio interno di un campo di calcio. Questa svolta ha rivelato il potenziale dei MOF e dei COF: materiali in grado di intrappolare selettivamente i gas, estrarre acqua dall’aria arida e rivoluzionare i processi chimici.
Dalla curiosità intellettuale all’impatto sociale
Inizialmente guidata da una sfida puramente intellettuale – il desiderio di costruire materiali molecola per molecola – la ricerca di Yaghi si è rapidamente evoluta verso la risoluzione dei problemi del mondo reale. La chiave per la stabilità sta nel controllare attentamente l’ambiente di sintesi, consentendo la formazione di strutture ordinate. Una volta padroneggiata, la straordinaria porosità dei MOF e dei COF ha aperto le porte ad applicazioni precedentemente considerate irraggiungibili.
“Quando sai quanta porosità hanno questi materiali, pensi subito a intrappolare i gas”, spiega Yaghi. “Questi materiali racchiudono compartimenti dello spazio in cui può sedersi una molecola di acqua o anidride carbonica.” Questa proprietà fondamentale viene ora sfruttata nelle tecnologie progettate per estrarre l’acqua dall’aria del deserto (anche con umidità inferiore al 20%) e catturare l’anidride carbonica direttamente dall’atmosfera.
Ampliarsi: dal laboratorio all’industria
L’azienda di Yaghi, Atoco (fondata nel 2020), sta guidando la commercializzazione di questi materiali. I recenti progressi includono COF-999, un materiale altamente efficiente per la cattura del carbonio testato per oltre 100 cicli a Berkeley, e dispositivi in grado di raccogliere migliaia di litri di acqua al giorno.
La visione a lungo termine va oltre le applicazioni attuali:
- Produzione sostenibile: i MOF e i COF possono essere smontati in acqua senza rilasciare residui nocivi, risolvendo così potenziali problemi relativi ai rifiuti.
- Efficienza energetica: L’utilizzo del calore di scarto e della luce solare ambientale per alimentare i cicli di cattura/rilascio riduce il consumo di energia.
- Progettazione basata sull’intelligenza artificiale: L’intelligenza artificiale sta accelerando l’ottimizzazione delle proprietà MOF e COF, accorciando i cicli di sviluppo.
Il futuro dei materiali: eterogeneità e catalisi
Mentre la ricerca attuale si concentra sull’ottimizzazione dei materiali esistenti, il laboratorio di Yaghi sta esplorando “materiali multivariati” – strutture con ambienti interni intenzionalmente irregolari. Combinando scheletri ordinati con “intestino” eterogenei, questi materiali potrebbero raggiungere una selettività ed efficienza senza precedenti nell’assorbimento dei gas e nelle reazioni chimiche.
Inoltre, MOF e COF sono promettenti nella catalisi, replicando potenzialmente l’efficienza degli enzimi per la sintesi chimica industriale. Ciò potrebbe portare a una produzione più rapida e sostenibile di prodotti farmaceutici e altri composti vitali.
“Stiamo attraversando una rivoluzione”, afferma Yaghi. “Possiamo progettare materiali come non abbiamo mai fatto prima e collegarli a usi come non abbiamo mai fatto prima”.
La crescita esponenziale dei brevetti relativi a MOF e COF suggerisce che questa rivoluzione è già in corso. Mentre la ricerca converge con l’ingegneria e l’intelligenza artificiale, la chimica reticolare è pronta a definire una nuova era nella scienza dei materiali – un’era in cui i materiali non sono solo assemblati, ma proprio progettati per un futuro sostenibile ed efficiente.
