La Real Academia de las Ciencias de Suecia otorgó el Premio Nobel de Química 2025 a Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi por su investigación pionera sobre los Marcos Orgánicos de Metal (MOFs). Entonces, ¿qué son exactamente los MOFs? ¿Y por qué merecen un Premio Nobel?

Los MOF son polvos cristalinos llenos de poros minúsculos del tamaño de moléculas. Tienen una estructura única: una estructura porosa donde los metales están conectados entre sí mediante enlazadores orgánicos. Si se toma un gramo de MOF y se despliega su área de superficie interna, cubriría un área más grande que un campo de fútbol. Debido a su estructura altamente ajustable y porosidad excepcional, han generado un amplio interés de investigación en la ciencia de materiales y la química.

Constitución Básica de los MOF

La estructura de un MOF puede entenderse como un "andamio" a nivel molecular, cuya construcción requiere dos componentes centrales:

1. Nodos Metálicos: Son iones metálicos o pequeños grupos de unos pocos átomos metálicos que actúan como puntos de soporte o unión de la estructura. Los metales comunes incluyen zinc, cobre, hierro, cromo y circonio, entre otros.
2. Enlazadores Orgánicos: Son moléculas orgánicas rígidas, que suelen contener múltiples grupos funcionales capaces de coordinarse con los nodos metálicos, como grupos carboxilo o grupos que contienen nitrógeno. Actúan como "pilares" o "vigas" que conectan los nodos metálicos.

Al seleccionar diferentes nodos metálicos y enlazadores orgánicos, y controlando las condiciones de síntesis, los investigadores pueden diseñar y fabricar materiales MOF con diferentes tamaños de poro, estructuras de canales y propiedades químicas.

Propiedades Principales de los MOF

La atención que reciben los materiales MOF se debe principalmente a las siguientes características clave:

• Área de Superficie Específica Extremadamente Alta: Los MOF se encuentran entre los materiales con el área de superficie específica más alta conocida. La superficie interna de una cucharadita de ciertos materiales MOF puede superar el área de un campo de fútbol. Esto proporciona un espacio enorme para la adsorción de gases, la carga de sustancias y las reacciones químicas.
• Estructura Cristalina Altamente Ordenada: Los MOF son materiales cristalinos, lo que significa que sus átomos y moléculas presentan una disposición regular y periódica en el espacio tridimensional. Esto permite a los científicos determinar su estructura con precisión utilizando técnicas como la difracción de rayos X.
• Poros Sintonizables y Funcionalizables: El tamaño de los poros y el entorno químico de los MOF se pueden diseñar y ajustar con precisión cambiando los tipos de nodos metálicos y enlazadores orgánicos. Además, las paredes internas de los poros pueden modificarse químicamente después de la síntesis para introducir grupos funcionales específicos, logrando así personalizar las propiedades del material.

Ámbitos de Aplicación de los MOF

Los MOF son muy adecuados para detectar y capturar/adsorber sustancias en concentraciones muy pequeñas, purificar agua o aire; también pueden almacenar grandes cantidades de energía para fabricar mejores baterías y dispositivos de almacenamiento de energía. Los científicos ya han diseñado más de 88,000 MOF precisamente personalizados, con aplicaciones que van desde la agricultura hasta la farmacéutica.

• Almacenamiento y Separación de Gases: Los MOF pueden adsorber y almacenar gases energéticos como el hidrógeno y el metano. También pueden separar eficientemente mezclas de gases, por ejemplo, capturando dióxido de carbono de los gases de combustión de las centrales eléctricas o separando oxígeno y nitrógeno del aire.
• Catálisis: La gran área superficial y los sitios activos diseñables de los MOF los convierten en excelentes catalizadores. Los nodos metálicos o los enlazadores orgánicos modificados pueden actuar como centros catalíticos, acelerando las reacciones químicas.
• Detección Química: Cuando moléculas específicas entran en los poros del MOF, provocan cambios en sus propiedades físicas (como fluorescencia, conductividad). Estos cambios pueden utilizarse para detectar cantidades mínimas de gases, vapores o iones.
• Administración de Fármacos: La estructura porosa de los MOF puede cargar moléculas de fármacos terapéuticos y lograr una liberación controlada bajo condiciones específicas en el cuerpo (como cambios de pH), mejorando la eficacia del fármaco y reduciendo los efectos secundarios.

Resumen

Los Marcos Orgánicos de Metal son un tipo de material cristalino poroso ensamblado mediante enlaces de coordinación que unen nodos metálicos y enlazadores orgánicos. Su valor central reside en la capacidad de diseño de su estructura, su área de superficie específica extremadamente alta y la química de sus poros ajustable. Estas características convierten a los MOF en una plataforma material muy prometedora para abordar desafíos en áreas como el almacenamiento y separación de gases, la catálisis y la biomedicina. Para obtener más información sobre materiales químicos, visite Stanford Advanced Materials (SAM).