El químico que fabrica agua con luz solar, Premio Fronteras del Conocimiento

El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas ha sido concedido en su décima edición al químico jordano-estadounidense Omar Yaghi "por su trabajo pionero en la concepción y síntesis de los nuevos materiales cristalinos MOF y COF". Su trabajo ha tenido "gran impacto en la ciencia y en la ingeniería", y acarrea aplicaciones potenciales de tanto interés como "la captura y almacenamiento de dióxido de carbono (CO2), y la de las moléculas de agua presentes en el aire para generar agua potable".

Yaghi, catedrático de Química en la Universidad de California en Berkeley, EEUU, ha creado estos nuevos materiales aplicando una química basada en el "ensamblaje de ladrillos" –explica el acta del jurado– o piezas cuya estructura es cuidadosamente controlada de antemano. 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".

En términos no técnicos, los MOFs (metal organic frameworks) y los COF (covalent organic frameworks) son como esponjas cristalinas a escala molecular: materiales muy porosos en los que los huecos 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.

También 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 noventa. "Cuando yo era estudiante" –explicó ayer por teléfono al conocer el fallo– "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. Tener el control sobre el material que estás produciendo, e incluso poder modificarlo una vez que lo has construido, es una herramienta muy poderosa".

Crear agua para beber con luz solar

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 MOFs desarrolladas.

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

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 MOFs, 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 MOFs 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 revista Science 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 mete más gas en menos volumen: por paradójico que parezca, cabe mucho más hidrógeno en un tanque lleno de MOFs 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.

Hoy en día Yaghi está convencido de que "el diseño de nuevos materiales es de lo más importante que podemos hacer para resolver nuestros problemas, por ejemplo el desarrollo de fuentes limpias de energía". Sin embargo, cuando empezó su carrera Yaghi no pensaba en las aplicaciones, "sino en la pura belleza del desafío de construir estructuras, estructuras que pudiera controlar".

Una historia de superación

Omar M. Yaghi (Amán, Jordania, 1965) fue enviado por su familia a Estados Unidos a 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. Más adelante lo descubrí y me fascinó saber que eran componentes de las cosas que no podemos ver con nuestros ojos".

Una de sus principales aspiraciones en la actualidad, más allá del desarrollo de su investigación, es la de contagiar a otros jóvenes la misma pasión que le sedujo a él: "Ante todo soy un profesor y un mentor, y me gustaría ver a más jóvenes trabajando en el mundo de la ciencia para intentar resolver los problemas del planeta. Y no sólo en los países desarrollados, sino también en los que están todavía en vías de desarrollo. Por eso estoy trabajando mucho para impulsar la creación de centros de investigación en estos países, para ayudar a los jóvenes a dedicarse a la ciencia".

Tras doctorarse en Química Inorgánica en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, su trayectoria investigadora y docente le llevó a la Universidad Estatal de Arizona como assistant professor; a la Universidad de Michigan en Ann Arbor, donde fue titular de la Cátedra Robert W. Parry de Química; y a la Universidad de California Los Ángeles, donde desempeñó la Cátedra Christopher S. Foote de Química y la Cátedra Irving y Jean Stone en Ciencias Físicas. 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.

También dirige el Centro de Materiales Reticulares en el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón y el Grupo de Investigación sobre Captura y Conversión del Carbono en la Universidad Rey Fahd del Petróleo y los Minerales, en Arabia Saudí. Entre 2011 y 2016 fue codirector ejecutivo del Centro para la Investigación Molecular y en Nanoarquitectura de la Universidad Nacional de Vietnam. Es titular de 44 patentes y de 25 solicitudes de patente publicadas en Estados Unidos.