Le strutture metallo-organiche, la chimica dei Mof

Valentina Colombo, esperta della materia, è stata l’unica italiana tra i 25 scienziati al mondo a partecipare a un grande ritiro scientifico organizzato a settembre a Granada proprio da Omar Yaghi, tra i ricercatori e vincitori del PremioNobel per la Chimica 2025.

Laurea e dottorato in chimica all’Università dell’Insubria. Ha lavorato tra Granada e Berkeley, nei laboratori di Jorge Navarro e Jeffrey R. Long, dove ha fatto la tesi di dottorato e ha realizzato i primi studi sulla sintesi di nuovi MOF stabili alle alte temperature. Quarantun anni, 3 figli, oggi professoressa di chimica all’Università Statale di Milano.

Nel 2019 ha fondato la MOFschool, International School on Porous Materials, punto di riferimento internazionale per la formazione sui materiali porosi.

Aperta a un gruppo selezionatissimo di studenti provenienti da tutto il mondo e sostenuta, fin dalla prima edizione, da Omar Yaghi, che tiene la lectio magistralis dal titolo Profs and Students: Untold Stories.

«La curiosità e l’innovazione. Le loro combinazioni sono davvero infinite. Sono belli: uniscono eleganza e utilità. Sono cristalli con strutture straordinarie, ma soprattutto strumenti concreti per affrontare le grandi sfide ambientali del nostro tempo»

Come descriverli in maniera semplice e perché sono importanti?

«Per spiegare che cosa sono i MOF usiamo spesso un esempio semplice: i mattoncini Lego o, ancora meglio, il Meccano o il Geomag. Immaginate una costruzione fatta di palline e bacchette. Le palline sono come i nodi: e nel caso dei MOF, sono ioni metallici o piccoli gruppi di metalli, mentre le bacchette sono i leganti organici che li collegano tra loro. Insieme formano una struttura tridimensionale che si estende all’infinito. E c’è un’altra cosa importante … nella dimensione di un cucchiaino di caffè, questi materiali possiedono l’area superficiale dell’intero campo di San Siro. Se potessimo srotolarli su una superficie piana, raggiungerebbero aree di 6.000-7.000 m² per grammo. La loro bellezza è proprio lo spazio vuoto. Un vuoto che si può utilizzare in vari modi.

Le sottili pareti atomiche di questi materiali possono essere modificate all’infinito, il limite è la fantasia e la bravura del chimico che li prepara».

Valentina Colombo 

«La cattura e separazione della CO₂, una sfida cruciale per mitigare gli effetti del cambiamento climatico, è l’applicazione più importante – spiega Valentina Colombo – I MOF possono essere progettati per riconoscere e trattenere selettivamente la CO₂ anche in presenza di altri gas, con un’efficienza superiore a quella di molti materiali tradizionali.
Un’altra frontiera che trovo affascinante è la purificazione dell’acqua. In molte aree del pianeta l’accesso a risorse idriche sicure è ancora un problema drammatico e lo sarà sempre di più in futuro. I MOF, grazie alla loro struttura modulabile, possono essere ingegnerizzati come filtri altamente selettivi, capaci di rimuovere metalli pesanti, residui di farmaci o contaminanti emergenti, rendendo l’acqua pulita e potabile. Sono sfide enormi per noi scienziati e ci stiamo lavorando da anni Si possono usare questi materiali porosi anche nelle zone desertiche per assorbire acqua durante la notte, quando l’umidità sale e rilasciarla col calore del giorno, quando il sole si alza in cielo.

Negli anni sono stati perfezionati anche dei materiali MOF biocompatibili che possono essere utilizzati all’interno del corpo umano per fare drug delivery, ossia inviare molecole biologicamente attive verso una specifica malattia».

Una presentazione di Valentina Colombo 

«Per anni abbiamo studiato i MOF come strutture statiche, ma in realtà sono tutt’altro che fermi: sono materiali dinamici, capaci di respirare, muoversi e adattarsi quando interagiscono con le molecole che entrano nei loro canali. 

Con le nostre ricerche, abbiamo utilizzato la diffrazione di raggi X in operando, ovvero mentre il materiale è realmente in funzione, esposto al gas o alla molecola che vogliamo studiare.

Questa tecnica ci permette di osservare gli atomi all’interno del cristallo, perché i raggi X, colpendo la materia, vengono diffusi dagli elettroni degli atomi in modo caratteristico.

Analizzando come il fascio diffratto si distribuisce nello spazio, possiamo ricostruire la posizione precisa degli atomi e capire come il materiale cambia nel tempo.

Abbiamo così potuto “vedere” come la CO₂ viene catturata all’interno dei pori dei MOF: dove si lega, quali interazioni si formano e come queste influenzano la struttura stessa del materiale.

Per la prima volta, siamo riusciti anche a modellare le isoterme di assorbimento direttamente dai dati di diffrazione, descrivendo in modo quantitativo e a livello atomico il processo di cattura della CO₂.

È stato un passo avanti importante, perché ci permette di collegare le misure macroscopiche di assorbimento con le informazioni atomiche.  In altre parole, di vedere la funzione attraverso la struttura.

In pratica, oggi possiamo vedere ‘il respiro’ dei MOF: come si dilatano, si contraggono, e cambiano per accogliere le molecole ospiti».

Che cosa significa vedere la materia in azione

Stiamo già usando questi materiali?

«Sì, sono nate poco più di una decina di anni fa le prime startup nel mondo e adesso sono diventate delle vere e proprie aziende che producono questi materiali per chi vuole implementarli nei propri processi. Sono un volano per progetti industriali. La stessa Eni ci ha finanziato due progetti di ricerca, tutt’ora in corso…»

Gli studenti della MOFschool2025

Che cos’è e di cosa si occupa la MOFschool 

«È una scuola di eccellenza, che nasce sotto il marchio dell’Università degli Studi di Milano, in collaborazione con l’Università dell’Insubria, l’Università di Granada e all’interno del programma di scuole di alta formazione “Lake Como School of Advanced Studies”.  Si tiene a Como a Villa del Grumello. La scuola ha avuto una grandissima risonanza, riceviamo tantissime richieste da tutti i cinque continenti. Ma entrano solo 50 studenti in presenza e altri 50 circa possono seguire in streaming. Si tratta di una settimana full immersion nella scienza. Arrivano docenti di fama mondiale. Gli studenti fanno amicizia tra loro e nascono contatti che restano per la vita».

«Durante il dottorato sono stata tra la Spagna e gli Stati Uniti. A Granada ho incontrato il professor Jorge Navarro, che ora è un amico e collaboratore, con cui ho fatto i primi lavori contenuti nella mia tesi sulla sintesi di nuovi MOF altamente stabili, che potevano resistere ad alte temperature e applicabili industrialmente. E poi nel laboratorio di Jeffrey R. Long all’Università di Berkeley ho continuato gli studi su questi materiali. E da lì poi è nato tutto».