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Omar M. Yaghi

Premio Balzan 2024 per materiali nanoporosi per applicazioni ambientali

Per i rivoluzionari contributi alla scoperta e allo sviluppo di materiali a struttura nanoporosa e per l'avanzamento delle loro applicazioni nella cattura del carbonio, nell’immagazzinamento dell'idrogeno e nell’estrazione dell'acqua dall'aria del deserto. Yaghi ha sviluppato principi fondanti di progettazione fondamentali e innovativi metodi di sintesi, creando due ampie classi di materiali nanoporosi: le strutture metallo-organiche (MOF) e le strutture organiche covalenti (COF). Questi materiali pionieristici sono ora in prima linea negli sforzi globali per affrontare le sfide critiche di sostenibilità e ambiente che il nostro pianeta sta fronteggiando.

Omar Yaghi ha fondato la chimica reticolare, la scienza della costruzione di strutture chimiche a partire da blocchi molecolari. È famoso per essere stato il pioniere delle strutture metallo-organiche (MOF), delle strutture organiche covalenti (COF) e delle strutture imidazolate zeolitiche (ZIF), materiali noti per le loro aree superficiali straordinariamente estese e la loro nanoporosità. La porosità di queste strutture supera di gran lunga quella dei materiali porosi tradizionali. Questa porosità elevatissima aumenta in modo significativo la loro utilità nell’immagazzinamento e nella produzione di energia pulita, compresi lo stoccaggio e la separazione di idrogeno, metano e anidride carbonica, nonché nella produzione di acqua pulita, nei super condensatori e nei sistemi conduttivi. L’approccio a blocchi costruttivi da lui sviluppato ha dato il via a una crescita esponenziale nella creazione di nuovi materiali con una diversità e complessità chimica senza precedenti, come dimostra l’ampia letteratura sui MOF.

All’inizio degli anni ’90, Omar Yaghi ha proposto di utilizzare blocchi molecolari e legami forti per creare materiali cristallini. All’epoca, la comunità scientifica riteneva che questo concetto fosse chimicamente impossibile, perché i forti legami tra questi blocchi molecolari davano in genere origine a solidi amorfi e poco definiti. Questa percezione è cambiata nel 1995, quando il Professor Yaghi ha dimostrato con successo, per la prima volta, che gli ioni metallici potevano essere collegati da leganti organici con carica negativa per formare legami forti e creare materiali a struttura cristallina ordinata. Questa scoperta rivoluzionaria, pubblicata su Nature, ha permesso lo sviluppo di una nuova classe di materiali: i MOF.

Riconoscendo il potenziale dei MOF per raccogliere la potenza di gas e molecole come l’idrogeno, l’anidride carbonica e l’acqua, Omar Yaghi ha compreso la necessità di dimostrare la loro stabilità strutturale. Nel 1998 ha riportato la misura delle prime isoterme di assorbimento di gas su un MOF composto da cluster di ossido di rame e tereftalato, dimostrando la porosità permanente del MOF. Questo ha portato nel 1999 a una pubblicazione molto citata su Nature, dove ha descritto l’ormai iconico MOF-5. Il MOF-5 presentava un’altissima porosità, con un’area superficiale di circa 3.000 metri quadrati per grammo, e un’elevata stabilità strutturale. La porosità e la robustezza da record del MOF-5 hanno dato vita all’ambito di studio dei MOF e segnato l’inizio del lavoro pionieristico di Omar Yaghi nell’utilizzo della porosità dei MOF per immagazzinare l’idrogeno, catturare il carbonio e raccogliere l’acqua dall’aria.

I MOF sono diventati i materiali preferiti per queste applicazioni grazie ai loro pori di dimensioni nanometriche, una proprietà fondamentale per ottenere aria pulita, energia pulita e acqua pulita. Il Professor Yaghi ha anche sviluppato una strategia per creare MOF con aree superficiali fino a 7.000 metri quadrati per grammo, accrescendo ulteriormente l’immenso potenziale di questi materiali.

Dopo questi risultati ha scoperto e sviluppato un’altra vasta classe di materiali descritta in un articolo di Science del 2005: i COF. I COF sono composti interamente da molecole organiche tenute insieme da legami covalenti, i legami più forti della chimica. Questo rende i COF altamente durevoli e, grazie ai loro costituenti leggeri, i materiali porosi meno densi. Omar Yaghi ha sviluppato COF con dimensioni specifiche dei nanopori e ambienti per compattare l’idrogeno e l’anidride carbonica e per intrappolare l’acqua dall’aria del deserto, il tutto in condizioni reali.

Il suo approccio basato sui legami forti e la precisione della sua chimica conferiscono un’elevata stabilità termica e chimica a questi materiali, rendendo possibile il loro utilizzociclico per molti anni. L’altissima porosità delle loro strutture fa sì che possano essere impiegati in modo economico nell’immagazzinamento di gas per energia pulita, con i vantaggi aggiuntivi di un’elevata capacità ed efficienza. Le sue rivoluzionarie scoperte hanno fornito strumenti cruciali per affrontare la crisi climatica.