În 2025, Susumu Kitagawa (Universitatea Kyoto, Japonia), Richard Robson (Universitatea din Melbourne, Australia) și Omar M. Yaghi (Universitatea din California, Berkeley, SUA) au câștigat Nobelul pentru Chimie. Premiul le-a fost acordat pentru munca de pionierat în domeniul structurilor metalo-organice (MOF), un domeniu care a produs zeci de mii de compuși și a transformat designul materialelor.
Descoperirile lor au stabilit principiile construcției MOF. Totodată, au permis aplicații personalizate în:
- captarea carbonului,
- cataliză,
- separarea gazelor,
- recoltarea apei,
- materiale pentru baterii.
Domeniul continuă să se extindă în structuri organice covalente (COF). Aici, în loc de ionii metalici, structura e formată de elementele ușoare. Faptul în sine extinde potențialul pentru materialele personalizate performante.
Urmăriți un scurt videoclip care demonstrează simularea BIOVIA a unui Zr-MOF:
Fundamentele timpurii ale unui câmp transformator
Originile domeniului sunt descrise în relatarea profesorului Robson despre primele zile ale cercetării în ingineria cristalină a materialelor de structură. Cercetarea a evoluat de la câteva sugestii din anii 1970 privind construirea de polimeri, direcționați din blocuri de construcție pre-organizate. Au urmat, la mijlocul anilor ’80, experimentele inițiale și, în anii ’90, introducerea denumirii MOF.
Profesorul Robson își amintește că, în 1974, i-a fost solicitată construcția unor modele de structuri anorganice de bază, pentru cursurile din primul an. „M-am întrebat: dacă am înlocui bilele cu molecule și bețele cu legături chimice, ar putea blocurile de construcție să fie preorganizate și funcționalizate astfel încât să reacționeze singure, pentru a forma rețele extinse și direcționate?”
Pe atunci, era greu de prezis cât de sofisticată va deveni modelarea cristalelor sau contribuția importantă a modelării și simulării în domeniul cercetării MOF.
Simularea: Cheia pentru deblocarea potențialului MOF
Dezvoltarea de noi MOF necesită un set vast de instrumente experimentale:
- PXRD,
- FTIR,
- sorbția de gaze,
- RMN în stare solidă ș.a.
Tehnicile respective sunt cele mai puternice atunci când sunt asociate cu experimentarea computațională, în special simulările atomistice. Cele din urmă sunt acum esențiale pentru prezicerea performanței, ghidarea sintezei și interpretarea datelor complexe.
Profesorii Kitagawa și Yaghi au plasat simularea în centrul activității lor. Au combinat metode clasice și cuantice pentru a dezvălui relațiile structură-proprietate și a avansa proiectarea MOF și COF. BIOVIA Materials Studio și Pipeline Pilot au constituit factori decisivi, facilitând abordarea computațională.
De exemplu, o lucrare recentă din Advanced Theory and Simulations (Kitagawa, 2025) descrie senzori chemirezistivi MOF-oxid metalic pentru detectarea precoce a bolilor, prin analiza respirației umane. Folosind BIOVIA Forcite și Pipeline Pilot, cercetătorii au dezvoltat un flux de lucru computațional de mare randament, evaluând performanța de detectare. Astfel, au sugerat că senzorii bazați pe MOF ar putea să ajute la identificarea biomarkerilor pentru cancerul pulmonar.
Modelarea MOF-urilor flexibile: perspective asupra comportamentului molecular
O contribuție importantă a profesorului Kitagawa, conform mențiunii Premiului Nobel, este munca privind proiectarea MOF-urilor flexibile. Un exemplu poate fi găsit în lucrarea sa din ACS Applied Materials & Interfaces 2022. Studiul raportează un răspuns structural unic al unui MOF-Zn flexibil, cauzat de adsorbția acetilenei. Calculele teoriei funcționale a densității, folosind BIOVIA DMol3, au contribuit la înțelegerea energeticii și a modificărilor aferente ale structurii electronice cauzate de procesul de adsorbție. Modelarea moleculară e vitală în explicarea mecanismului rotației simultane a ligandului (= molecula/ionul care se unește direct cu atomul central în compușii complecși) și a expansiunii cadrului.
COF-uri: Proiectarea rețelelor organice cristaline
Materialele COF oferă o gamă suplimentară de aplicații potențiale. Profesorul Kitagawa e activ în acest domeniu. Structurile organice covalente sunt polimeri organici cristalini cu structură periodică și funcționalitate reglabilă. Ele prezintă potențial ca și conductori/transportatori de ioni unici. Articolul din 2018 a lui Kitagawa, publicat în Journal of the American Chemical Society, descrie utilizarea unui COF ca mediu pentru conductivitatea Li+ în stare solidă. În lucrarea dată, BIOVIA Materials Studio a fost utilizat pentru a construi un model structural al unui COF. În paralel, modulele MS Forcite și Reflex Plus au fost utilizate pentru rafinarea Pawley a structurii, pe baza datelor experimentale de difracție cu raze X.
O abordare similară pentru rezolvarea structurilor COF din date experimentale de difracție cu raze X a fost utilizată de Prof. Yaghi. O găsim în lucrarea sa despre structurile organice covalente cristaline legate de esteri din 2020. În cazul de față s-a apelat la modulul Reflex BIOVIA Materials Studio pentru rafinarea Pawley a datelor PXRD. Structurile complexe ale COF-urilor solvatate și activate au fost rezolvate ținând cont de:
- efectele complete ale dimensiunii cristalitelor,
- lărgirea deformării rețelei,
- asimetria vârfurilor.
Vizualizarea structurilor în Materials Studio e utilă pentru înțelegerea topologiei noilor COF-uri. Cu asemenea informații structurale poate fi explicată cristalinitatea și rigiditatea structurii, semnificativ diferite între diferite familii de structuri nou generate.
De la separarea gazelor la design molecular avansat
Structurile COF pot fi funcționalizate pentru a regla fin proprietățile dorite. Articolul din The Journal of Physical Chemistry a lui Kitagawa prezintă un COF cu adsorbție discriminativă a acetilenei și dioxidului de carbon. O serie de instrumente de modelare BIOVIA a fost aplicată pentru a explica comportamentul observat:
- Modulul de sorbție Monte Carlo a fost utilizat pentru a genera un câmp de adsorbție pentru molecule mici din structura cristalină, optimizat de BIOVIA DMol3.
- BIOVIA CASTEP a generat configurații atomice pentru moleculele adsorbite.
- Modulul RMN BIOVIA CASTEP a produs deplasări chimice caracteristice pentru structurile candidate.
Combinarea instrumentelor enumerate cu măsurători experimentale a generat un flux de lucru reutilizabil pentru îmbunătățirea sistematică a COF-urilor, utile în aplicații de separare a gazelor.
Lucrarea colaborativă a profesorului Yaghi din 2025 a aplicat Forcite și modulul Reflex din BIOVIA Materials Studio unui studiu complet nou, bazat pe tehnologia COF. Lucrarea a arătat cum se pot genera macrocicluri organice neobișnuite prin excizarea lor din structurile COF. E important să se înțeleagă aranjamentul moleculelor în COF-ul original, în vederea scindării macromoleculelor dorite. Forcite a fost utilizat pentru a găsi configurații de energie scăzută ale moleculelor din COF-uri. A urmat rafinarea Pawley a datelor PXRD, apelându-se la Reflex. Rezultatul? Abordarea de tip clip-off în chimie, ca modalitate de a produce macromolecule anterior inaccesibile.
Sprijinirea următoarei generații de inovare a materialelor
Instrumentele de simulare precum BIOVIA Materials Studio și Pipeline Pilot susțin descoperirile actuale în știința MOF și COF. Ele acoperă proiectarea, optimizarea și predicția performanței. Premiul Nobel onorează viziunea profesorilor Kitagawa, Robson și Yaghi. Totodată, subliniază rolul critic al gemenilor virtuali în avansarea chimiei moderne.
Pe măsură ce domeniul continuă să evolueze, BIOVIA își menține angajamentul de a sprijini comunitatea globală a științei materialelor cu soluții de modelare și știința datelor de ultimă generație, menite să conducă la descoperiri inovatoare.
Dacă vă sunt utile articolele noastre, nu ezitați să vă abonați la newsletter.