O Prêmio Nobel de Química de 2025: O que são MOFs?

A Real Academia Sueca de Ciências concedeu o Prêmio Nobel de Química de 2025 a Susumu Kitagawa, Richard Robson e Omar M. Yaghi por suas pesquisas inovadoras sobre estruturas metal-orgânicas (MOFs). Os materiais revolucionários, com suas enormes áreas de superfície interna, estruturas de poros ajustáveis e design unitário, provaram ser uma pedra angular da química de materiais com uso inovador em armazenamento de energia, descontaminação ambiental e engenharia molecular.

Fig. 1 Prêmio Nobel de Química de 2025

Introdução aos MOFs

Os MOFs são cristais sólidos tridimensionais compostos de íons metálicos ou clusters coordenados com ligantes orgânicos, os quais produzem estruturas tridimensionais com arquiteturas de poros altamente ajustáveis. Devido à sinergia de alta área de superfície, densidade de luz e estrutura elástica, os químicos podem adaptar estruturas com tamanho de poro, funcionalidade química e propriedades mecânicas previsíveis.

Certos MOFs atingem uma área de superfície interna de mais de 7.000 m²/g, uma ordem de grandeza melhor do que o carvão ativado, com potencial inigualável para armazenamento e separação de moléculas. A modularidade dos MOFs também permite a funcionalização para uma aplicação, que vai desde a separação e o armazenamento de gás até o fornecimento de medicamentos e a catálise.

História e desenvolvimento dos MOFs

A construção de estruturas orgânicas metálicas (MOFs) começou com Richard Robson em 1989, quando ele apresentou a teoria da ligação de íons de cobre com um ligante orgânico de quatro braços para produzir uma rede cristalina com cavidades definidas com precisão. Isso abriu o caminho para o que se tornou um campo de pesquisa em rápido desenvolvimento.

Em seguida, Susumu Kitagawa demonstrou a versatilidade dos MOFs com a capacidade de alteração das estruturas por meio da transformação estrutural, de modo que as estruturas podem "respirar" de acordo com as moléculas convidadas.

Posteriormente, Omar Yaghi ampliou ainda mais o campo com a síntese do MOF-5, um material que possui uma área de superfície surpreendente de mais de 3.000 m²/g e boa capacidade de absorção de gás, mostrando a utilidade prática do material em aplicações do mundo real.

Suas contribuições, em conjunto, estabeleceram os MOFs como uma misteriosa família de sólidos cristalinos porosos com possível aplicação e também interesse inerente.

Fig. 2 Representação esquemática de MOFs importantes relatados

Métodos de síntese de MOFs

O métodosolvotérmico continua sendo o mais popular para a síntese de MOFs. Aqui, os sais metálicos e os ligantes orgânicos são misturados em solventes orgânicos próticos ou apróticos funcionalizados com formamida. Em geral, a reação é realizada sob pressão autógena superior ao ponto de ebulição do solvente em uma autoclave, onde é permitido o crescimento de cristais e são obtidas estruturas muito ordenadas. O crescimento lento dos cristais geralmente é necessário para obter cristais grandes e livres de defeitos com área de superfície interna ideal.

Embora a síntese solvotérmica seja convencional e segura, alguns outros métodos surgiram para tornar as estruturas dos produtos ajustáveis e aumentar a eficiência. Técnicas como a síntese assistida por micro-ondas, sonoquímica, mecanoquímica, eletroquímica e ionotérmica estão ganhando cada vez mais aplicação.

Por exemplo, a síntese mecanoquímica emprega moagem e energia mecânica em vez de solventes, minimizando a carga ambiental e permitindo o rápido desenvolvimento de estruturas. Também foi demonstrado que a síntese assistida por micro-ondas gera MOFs com cristalinidade comparável em questão de minutos, em vez de horas. Todos esses desenvolvimentos são importantes para a produção em larga escala de MOFs e para a determinação de novas arquiteturas.

Fig. 3 Síntese solvotérmica convencional de estruturas de MOF

Possíveis aplicações de MOFs

As propriedades exclusivas dos MOFs - baixa densidade, alta área de superfície, porosidade, porém ajustável, e flexibilidade estrutural - oferecem uma enorme variedade de aplicações potenciais:

• Armazenamento e distribuição de gás: Os MOFs têm um valor de aplicação exclusivo no armazenamento de hidrogênio, metano e dióxido de carbono. Por exemplo, o MOF-5 adsorve mais de 20% em peso de hidrogênio a 77 K e 1 bar, e o MOF-177 tem adsorção de CO₂ de mais de 6 mmol/g a 298 K e 1 bar. Esses atributos tornaram os MOFs materiais de armazenamento de energia limpa, como células de combustível de hidrogênio e carros de metano.
• Remediação ambiental: Os MOFs têm sido usados para remover contaminantes da água e do ar. Alguns MOFs adsorvem PFAS ("produtos químicos eternos") seletivamente de águas residuais, enquanto outros têm afinidade com dióxido de carbono, permitindo a captura de carbono. Por exemplo, o Mg-MOF-74 tem capacidade de adsorção de CO₂ de até 8 mmol/g em condições ambientes, o que o torna viável para aplicação no controle de emissões.
• Captação de água: Alguns MOFs são capazes de coletar água do ar árido. Descrito em testes de campo em ambientes áridos, o MOF-801 à base de zircônio coletou 2,8 litros de água por quilograma de MOF por dia sob baixa umidade (20-30% de umidade relativa).
• Administração de medicamentos: As arquiteturas porosas de MOF possibilitam o encapsulamento de moléculas terapêuticas para liberação controlada. Em estudos experimentais, as matrizes MIL-100(Fe) liberaram medicamentos anticâncer com estabilidade aprimorada e características de liberação direcionada, reduzindo a toxicidade sistêmica.
• Armazenamento de energia e eletrônica: Os MOFs são explorados para aplicações em supercapacitores, baterias e catálise. Os MOFs podem ser usados como materiais de eletrodo de alta capacitância e condutividade ou como suportes de catalisador para nanopartículas de metal cataliticamente ativas.

Esses usos são a prova de que os MOFs não são mais uma curiosidade de laboratório; eles já estão demonstrando desempenho quantificável no mundo real em diversas aplicações. A comercialização em escalas maiores que a do laboratório ainda é um desafio, mas a pesquisa ainda busca aumentar a estabilidade, a reprodutibilidade e a economia.

Fig. 4 Aplicações em energia, fornecimento de medicamentos e tratamento de águas residuais

Conclusão

O Prêmio Nobel de Química de 2025, concedido a Kitagawa, Robson e Yaghi, aponta principalmente para o tamanho transformador dos MOFs. De conceitos estruturais inovadores a métodos de síntese de alta tecnologia e aplicações inexploradas no futuro, os MOFs são um tributo à união da química fundamental com a utilidade prática. Para obter mais notícias industriais e suporte técnico, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Referências:

1. Dey, Chandan & Kundu, Tanay & Biswal, Bishnu & Mallick, Arijit & Banerjee, Rahul. (2013). Crystalline metal-organic frameworks (MOFs): synthesis, structure and function. Acta Crystallographica Section B. 70. 3-10. 10.1107/S2052520613029557.
2. Ganesan, M. (s.d.). As estruturas metal-orgânicas (MOFs) estão em um ponto de inflexão comercial? CAS Insights.
3. Raptopoulou, C. P. (2021). Estruturas metal-orgânicas: Synthetic methods and potential applications. Materials (Basiléia), 14(2), 310. (https://doi.org/10.3390/ma14020310)
4. Sanders, R. (2025, 8 de outubro). Omar Yaghi, da UC Berkeley, compartilha o Prêmio Nobel de Química de 2025. Notícias de Berkeley.
5. Academia Real de Ciências da Suécia. (2025). A Real Academia Sueca de Ciências decidiu conceder o Prêmio Nobel de Química de 2025. Comunicado de imprensa do Prêmio Nobel.
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