Possono estrarre acqua dall’aria, filtrare sostanze e gas inquinanti e immagazzinare quelli utili, trasportare farmaci nell’organismo e rilasciarli esattamente quando, e dove, servono. Parliamo delle strutture metallo-organiche (o metal-organic frameworks, Mof), costrutti molecolari dalle infinite potenzialità, destinati a spingere la chimica in nuove inaspettate direzioni e sviluppati grazie al lavoro dei tre chimici premiati con il Nobel di quest’anno: Susumu Kitagawa, Richard Robson and Omar Yaghi. Vediamo di cosa si tratta.
Un’intuizione fortuita
La storia delle strutture metallo-organiche inizia quasi per caso nel 1974 nelle aule dell’università di Melbourne, dove Richard Robson era intento a preparare dei modellini con cui mostrare il funzionamento degli atomi e la formazione dei legami molecolari agli studenti del corso di chimica classica. L’obiettivo era quello di creare un set di aste e palline di legno rappresentanti legami chimici (le prime) e atomi (le seconde), che gli studenti avrebbero potuto combinare tra loro per formare a piacere strutture molecolari.
Robson aveva chiesto alla falegnameria dell’università di praticare dei fori nelle palle di legno, in modo che vi potessero essere inserite all’interno le aste. I buchi non dovevano essere posizionati a caso, ma in modo da permettere a ciascun atomo di formare solamente i propri specifici legami chimici. Testando i prototipi ricevuti dall’officina, il chimico ebbe la sua intuizione: le forme che poteva creare combinando aste e palline dipendevano strettamente dalla posizione dei fori; la posizione dei fori, quindi, conteneva un’enorme quantità di “informazioni” sui sistemi molecolari che potevano generare. Che si potessero usare le proprietà di questi atomi per unire tra loro anche differenti tipi di molecole, e non solo singoli atomi? L’idea rimase dormiente a lungo nel cervello di Robson, per poi esplodere in una nuova scoperta circa un decennio dopo quella prima, fortuita, intuizione.
Piramidi di rame
A metà degli anni ‘80 il chimico australiano decise di mettere alla prova la sua teoria, che le proprietà dei gruppi chimici e degli atomi permettessero di prevedere e progettare la forma, e le proprietà, delle strutture molecolari che vi si creavano. Iniziò con una struttura semplice, una piccola piramide formata da ioni di rame positivi, Cu+, e da una molecola (nota in inglese come tetracyanotetraphenylmethane) dotata di quattro bracci che terminano con un gruppo chimico nitrile, che tende ad essere attratto dagli ioni rame positivi.
La sua ipotesi era che mischiando i due ingredienti avrebbe ottenuto una struttura molecolare in cui gli ioni di rame avrebbero fatto da ponte tra i gruppi nitrile di diverse molecole, formando un reticolo regolare con ampie cavità al suo interno. Gli esperimenti gli diedero ragione. Presentò i suoi risultati sul Journal of the American Chemical Society nel 1989, suggerendo che queste nuove strutture molecolari potevano diventare la base per materiali con proprietà innovative, e customizzabili. E negli anni seguenti, continuò a migliorare le sue tecniche, e riuscì a riempire le cavità dei suoi costrutti molecolari con differenti sostanze, che potevano poi essere fatte fuoriuscire facendole interagire con differenti tipi di ioni. Così dimostrò che è possibile creare molecole ottimizzate per reagire e contenere specifiche sostanze chimiche, e che possono rilasciarle, o utilizzarle per catalizzare nuove reazioni chimiche.
Come rendere utile l’intuizione di Robson?
In chimica una scoperta tende ad essere valutata per la sua utilità, e quella di Robson, ancora verso la metà degli anni ‘90, sembrava averne ben poca. Le strutture molecolari progettate dal chimico australiano erano instabili, e tendevano a decadere velocemente. A cambiare le cose sono stati gli altri due premi Nobel per la chimica di quest’anno, lavorando a cavallo tra gli anni ‘90 e i 2000.
Hideki Yukawa aveva iniziato a creare Mof già nel 1992, ma per diversi anni le sue molecole non trovarono applicazioni pratiche, né destarono l’interesse di industrie e centri di ricerca. La svolta arrivò nel 1997, quando costruì un materiale formato da atomi di cobalto, ioni di nichel o zinco, e una molecola nota come 4,4′-bipyridine, che presentava una struttura tridimensionale attraversata da “ampi” canali, e risultava estremamente stabile, e capace di assorbire e rilasciare azoto, metano e ossigeno, senza deformarsi. L’anno seguente, pubblicò un articolo sul Bulletin of the Chemical Society of Japan, descrivendo i vantaggi che vedeva nei Mof rispetto ad altri materiali con capacità simili: principalmente, che possono integrare diverse funzioni combinando differenti tipi di molecole, e possono formare materiali morbidi e pieghevoli. Lavorando su questi concetti, negli anni seguenti sviluppò quelli che definì “soft porous crystals”, capaci di cambiare forma quando vengono riempiti di acqua o metano, e di tornare poi a quella originale una volta svuotati.
Nascono i Mof
I costrutti metallo-organici devono il loro nome al terzo premio nobel per la chimica di quest’anno, il giordano Omar Yaghi. Nato ad Amman, ma trasferitosi con la famiglia negli Stati Uniti all’età di 15 anni, Yaghi iniziò a guidare un gruppo di ricerca all’università dell’Arizona nel 1992, deciso a sviluppare tecniche per la progettazione e la creazione di nuovi materiali utilizzando un “design razionale”, in cui i costituenti vengano scelti e collegati tra loro in modo simile a quello utilizzato per i mattoncini del lego.
Anche lui si ritrovò a lavorare con ioni di metallo e sostanze organiche, e ottenne il primo successo nel 1995, pubblicando su Nature la struttura delle sue prime due molecole, formate da reticoli organici tenuti insieme da cobalto e rame. Uno dei due poteva ospitare molecole nel suo reticolo, ed era così stabile che, una volta pieno, poteva essere riscaldato fino a 350 gradi senza collassare. Descrivendone le proprietà, Yaghi coniò il termine “metal–organic framework”, che da quel momento iniziò a descrivere tutti i materiali appartenenti a questa classe, costituti di molecole organiche e metalliche, con una struttura regolare e la potenzialità di contenere cavità al loro interno.
Via: Wired.it
Credits immagine: Shrinath su Unsplash
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