"Super Sponges" — the 21st-century material awarded the Nobel Prize in Chemistry 2025: A LAQV REQUIMTE story
"Super Esponjas" — os materiais do século XXI que estão na base do Prémio Nobel em Química de 2025: uma história LAQV REQUIMTE [Portuguese version below]
Functional and porous materials, among which stand out the frameworks formed by metal ions linked to organic molecules, called Metal-Organic Frameworks, or just MOFs (figure below), have attracted remarkable scientific interest and technological development over the past three decades. Their potential to address some of the greatest challenges of our modern society has finally been recognised with the awarding of the 2025 Nobel Prize in Chemistry to three pioneering scientists in the development of MOFs: Richard Robson (University of Melbourne), Susumu Kitagawa (Kyoto University), and Omar Yaghi (University of California – Berkeley).
MOFs are crystalline "super sponges" (figure and video below), with pores whose internal surface area can reach 7000 m² per gram of MOF, equivalent to about a football field contained within the space of a 2-Euro coin. The ability to use different combinations of metals and organic molecules allows the creation of MOFs with distinct properties, rationally designed to perform diverse functions, such as gas capture, toxic molecule separation, drug delivery and reaction catalysis. Some MOFs can also change shape in response to variations in temperature, light exposure, or when their pores are filled. These features allow MOFs to be used as sensors, detecting specific molecules or changes in the environment where they are placed. This functional versatility, combined with chemical and thermal stability, makes MOFs the materials of the 21st century.
At the Associated Laboratory for Green Chemistry – LAQV REQUIMTE, several researchers have been developing MOFs and MOF-derived materials for over ten years, aiming at their application in various areas of technological interest.
The LAQV REQUIMTE researchers at NOVA FCT, Luísa Neves and Isabel Esteves, highlight the importance of MOFs in reducing the levels of carbon dioxide, one of the main gases responsible for global warming and climate change. A significant fraction of carbon dioxide emissions results from the burning of fossil fuels and several strategies have been adopted to reduce them, namely, optimising industrial processes from an energy perspective, investing in and expanding renewable energies, and developing carbon dioxide capture, storage and conversion technologies. The groups led by these researchers have been working on the synthesis of hybrid composites with ionic liquids and the synthesis of MOFs with structural defects, aimed at capturing and separating carbon dioxide, but also converting it into value-added products. Innovative membranes have also been developed, incorporating MOFs and their composites into polymers, for separating carbon dioxide from combustion gas streams, natural gas, or for upgrading biogas (from biomass valorisation) into biomethane, which can subsequently be used as a renewable substitute for fossil-based natural gas.
At the University of Porto, the LAQV REQUIMTE research team led by Luís Cunha-Silva has synthesised MOFs and derivatives that are used as efficient catalysts for the removal of sulfur and nitrogen from fuels and biofuels, as well as, for the valorisation of industrial waste into biofuel additives. Carbonised MOF-derived materials have also been exploited as electrocatalysts for the development of new fuel cells. In the field of toxic gas sensing, including explosive vapours, various functional MOFs have been successfully incorporated into polymeric films.
Detection of contaminants and water remediation is another important research area at LAQV REQUIMTE, where MOFs have been successfully used for the detection and quantification of metal ions, organic dyes, antibiotics and pesticides.
Beyond MOFs, LAQV REQUIMTE researchers have also developed other type of innovative functional porous materials: the covalent organic frameworks, or COFs. The researcher Salete Balula explains that, just like MOFs, COFs are porous frameworks, rationally designed to perform specific functions analogous to those of MOFs. Yet, their composition consists solely of light elements (such as carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and boron), without the presence of metal ions. The features and functionalities of these more recent porous materials have also attracted great scientific and technological interest from various international groups, including that of the Laureate Omar Yaghi. The PhD student Alexandre Viana (supervised by Salete Balula and Luís Cunha-Silva) had the great privilege and opportunity to work in Omar Yaghi’s group at the University of California – Berkeley, for nearly a year, where he designed and developed new multifunctional MOF and COF structures.
In addition to this PhD thesis (Doctoral Program in Sustainable Chemistry), Omar Yaghi’s participation in the 11th IUPAC International Conference on Green Chemistry, organised by LAQV REQUIMTE researchers in Lisbon, in September 2026 (https://www.greeniupac2026.org), will certainly help strengthen his connection to Portugal and put "MOFs made in Portugal" on the international map.
Image credit: Copyright Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
MOF animation (CALF-20)Video originally from Nature, adapted from mofanatomy.com
Check out Alexandre interview in Publico!
"Super Esponjas" — os materiais do século XXI que estão na base do Prémio Nobel em Química de 2025: uma história LAQV REQUIMTE
Os materiais funcionais e porosos, onde se destacam as redes formadas por iões metálicos ligados a moléculas orgânicas (figura acima; em inglês, Metal-Organic Frameworks, MOFs), têm tido um interesse científico e desenvolvimento tecnológico notáveis nas últimas três décadas. O seu potencial para resolver alguns dos maiores desafios da sociedade moderna foi finalmente reconhecido com a atribuição do Prémio Nobel em Química 2025 a três cientistas pioneiros no desenvolvimento dos MOFs: Richard Robson (Universidade de Melbourne), Susumu Kitagawa (Universidade de Kyoto) e Omar Yaghi (Universidade da Califórnia – Berkeley).
Os MOFs são "super-esponjas" cristalinas (figura e vídeo acima), com poros cuja área interna pode atingir 7000m2 por grama de MOF, o que equivale a cerca de um campo de futebol contido no espaço definido por uma moeda de 2 Euros. A possibilidade de usar diferentes combinações de metais e moléculas orgânicas permite criar MOFs com propriedades distintas, desenhadas racionalmente para realizar funções diversas, como sejam a captura de gases, separação de moléculas tóxicas, administração de fármacos, ou ainda a catálise de reacções. Alguns MOFs podem também mudar de forma em resposta a alterações na temperatura, exposição à luz ou se os seus poros forem preenchidos. Estas características permitem que estes materiais sejam igualmente usados como sensores, na detecção de moléculas específicas ou variações no ambiente onde estão colocados. Esta versatilidade funcional, aliada à estabilidade química e térmica, fazem com que os MOFs sejam vistos como os materiais do século XXI.
No Laboratório Associado para a Química Verde - LAQV REQUIMTE, várias/os investigadoras/es desenvolvem há mais de 10 anos MOFs e materiais derivados de MOFs, com vista à sua aplicação em diversas áreas de interesse tecnológico.
As investigadoras do LAQV REQUIMTE na NOVA FCT, Luísa Neves e Isabel Esteves, destacam a importância dos MOFs na redução dos níveis de dióxido de carbono, um dos principais gases responsáveis pelo aquecimento global e as alterações climáticas. Uma fracção muito significativa das emissões de dióxido de carbono resulta da queima de combustíveis fósseis e diferentes estratégias têm sido ser adoptadas para a reduzir, nomeadamente a optimização dos processos industriais do ponto de vista energético, a exploração e investimento em energias renováveis e o investimento em tecnologias de captura, armazenamento e conversão de dióxido de carbono. Os grupos destas investigadoras têm trabalhado na síntese de compósitos híbridos com líquidos iónicos e na síntese de MOFs com defeitos estruturais, com vista a capturar e separar o dióxido de carbono, mas também convertê-lo em produtos de valor acrescentado. Têm desenvolvido igualmente membranas inovadoras, incorporando MOFs e os seus compósitos em polímeros, para a separação do dióxido de carbono presente em correntes efluentes de gases de combustão, gás natural ou para condicionamento do biogás (por valorização de biomassa) a biometano, o qual pode ser posteriormente usado como substituto renovável do gás natural de origem fóssil.
Na Universidade do Porto, a equipa do investigador do LAQV REQUIMTE Luis Cunha-Silva tem sintetizado MOFs e derivados que são usados como catalisadores eficientes para a remoção de enxofre e azoto de combustíveis e biocombustíveis, bem como para a valorização de resíduos industriais em aditivos para biocombustíveis. Materiais derivados de MOFs carbonizados têm também sido estudados como electro-catalisadores para o desenvolvimento de novas células de combustível. No âmbito dos sensores de gases nocivos, incluindo vapores explosivos, diversos MOFs funcionais têm sido incorporados com sucesso em filmes poliméricos.
A detecção de contaminantes e remediação de águas é outra área importante de investigação no LAQV REQUIMTE, onde os MOFs têm sido usados com sucesso na detecção e quantificação de iões metálicos, corantes orgânicos, antibióticos e pesticidas.
Para além dos MOFs, as/os investigadoras/es do LAQV REQUIMTE têm desenvolvido outro tipo de materiais funcionais, porosos, inovadores: as estruturas orgânicas covalentes (em inglês, Covalent Organic Frameworks, COFs). A investigadora Salete Balula explica que, tal como os MOFs, os COFs são redes porosas, desenhadas racionalmente para desempenhar funções específicas análogas às dos MOFs, mas cuja composição é constituída apenas por elementos leves (tais como carbono, hidrogénio, oxigénio, nitrogénio e boro), sem a presença de iões metálicos. As características e funcionalidades deste materiais porosos mais recentes têm sido igualmente alvo de um grande interesse científico e tecnológico por diversos grupos internacionais, incluindo o do Loreado Omar Yaghi. O aluno de doutoramento Alexandre Viana (orientado por Salete Balula e Luís Cunha-Silva) teve o enorme privilégio e oportunidade de trabalhar no grupo de Omar Yaghi, na Universidade da Califórnia - Berkeley, durante quase um ano, onde desenhou e desenvolveu novas estruturas de MOFs e COFs com multifunções.
Além desta Tese de Doutoramento (Programa Doutoral em Quimica Sustentável), a presença de Omar Yaghi na 11th IUPAC International Conference on Green Chemistry, organizada por investigadoras/es do LAQV REQUIMTE, em Lisboa, em Setembro de 2026 (https://www.greeniupac2026.org), irá certamente contribuir para estreitar a sua ligação a Portugal e colocar os MOFs "made in Portugal" no mapa internacional.