Estructuras metalorgánicas para el futuro

Las estructuras metalorgánicas están pasando de ser una curiosidad de laboratorio a ser materiales industrialmente viables, impulsados ​​por amplios esfuerzos de la comunidad para mejorar su funcionalidad y estabilidad, y por avances en la fabricación a gran escala.

El Premio Nobel de Química de este año recayó en Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar Yaghi por el desarrollo de estructuras metalorgánicas (MOF) y la demostración de su potencial. Esto supone un gran impulso para la comunidad de MOF. Aprovechamos esta ocasión para felicitar a los galardonados y reflexionar sobre el recorrido que han recorrido las MOF desde su concepción hasta su adopción industrial, incluyendo algunas observaciones generales sobre la nanociencia.

Crédito: Thom Leach / Science Photo Library / Getty Stock Images

Los MOF son materiales cristalinos compuestos de iones metálicos o grupos conectados por enlaces orgánicos, formando redes nanoporosas extendidas y altamente ordenadas. Estas estructuras tienen áreas superficiales extremadamente altas: algunos marcos exhiben áreas superficiales equivalentes al área de un campo de fútbol (soccer) contenido en una muestra a escala de gramos. La naturaleza modular y reticular de los MOF permite a los investigadores afinar sus propiedades químicas y físicas seleccionando tanto los nodos metálicos como los enlaces orgánicos. Dicha flexibilidad sintética permite un control preciso sobre el tamaño de poro, la forma y la funcionalidad química, lo que permite que los marcos se adapten a las interacciones con moléculas de sorbato específicas o sitios catalíticos activos. Como resultado, los MOF han surgido como plataformas versátiles para una amplia gama de aplicaciones, incluido el almacenamiento de gas (por ejemplo, H ₂ , CH ₄ ) 1 , la separación de gases (por ejemplo, CO ₂ /CH ₄ , CO ₂ /N ₂ ) 1 ^, 2 , la recolección de agua del aire 3 y la catálisis heterogénea 4 . También son candidatos prometedores para la remediación ambiental, como la captura y desintoxicación de contaminantes 5 ^, 6 .

Puede parecer obvio, pero los MOF son nanomateriales por excelencia. El tamaño de poro de los MOF es muy variable y puede diseñarse con precisión para abarcar desde la escala nanométrica hasta la subnanómetro. Sin embargo, no todos los materiales nanoporosos ejemplifican la esencia de la nanociencia como lo hacen los MOF. La nanociencia, en esencia, es una metodología que permite a los investigadores comprender y controlar la materia a la escala más pequeña posible. Es esta noción de "control" —control en la elección de ligandos, control en la elección del centro metálico— lo que hace que trabajar con los MOF sea tan agradable y atractivo, y tan "nano".

Si bien los MOF han demostrado una notable versatilidad estructural y funcional, su implementación práctica no ha sido sencilla. Uno de los problemas más persistentes ha sido su limitada estabilidad. Muchos MOF iniciales se degradan o colapsan al exponerse al agua, la humedad, entornos ácidos o básicos, o a temperaturas elevadas. Como resultado, su manejo se ha limitado históricamente a condiciones de laboratorio cuidadosamente controladas. Sin embargo, en los últimos años se han logrado avances significativos en la mejora de la estabilidad de los MOF. Los avances en la química de coordinación metal-ligando, la topología estructural y la modificación postsintética han dado lugar a MOF robustos capaces de mantener la integridad estructural incluso en condiciones ambientales adversas 7 ^, 8 .

Los esfuerzos industriales paralelos también están impulsando este campo, con una creciente atención a la producción en masa y la reducción de costos. En octubre de 2023, BASF aumentó la producción de CALF-20 (un MOF basado en Zn) a varios cientos de toneladas anuales para Svante Technologies, que desea utilizarlo en aplicaciones de captura de carbono 9 . Otras empresas, como Numat Technologies de EE. UU. y el fabricante especializado con sede en el Reino Unido, Promethean Particles, también han establecido con éxito la producción de MOF a escala comercial 10 . Para reducir los costos, Atoco, una empresa fundada por Yaghi, ha estado trabajando en la síntesis interna de ciertos enlazadores especializados 11 .

Los enfoques automatizados y asistidos por inteligencia artificial (IA) pueden acortar aún más la ruta de diseño-síntesis-prueba, reducir los costos de desarrollo y acelerar la producción escalable de MOF relevantes a nivel industrial. Los avances recientes combinan aprendizaje profundo y modelos generativos para diseñar nuevos marcos optimizados para gases o reacciones específicos, ya que las redes neuronales gráficas capturan la complejidad topológica y química de los MOF con mucha mejor precisión 12 ^, 13 . La integración con plataformas robóticas de alto rendimiento y sistemas de síntesis automatizados, como la plataforma de descubrimiento de materiales autónomos de bucle cerrado y otros sistemas robóticos experimentales, ahora permite que los algoritmos de IA propongan, sinteticen y prueben materiales en ciclos iterativos 14 . Están surgiendo modelos generativos fundamentales entrenados en grandes conjuntos de datos de materiales y diseño asistido por modelos de lenguaje grande para traducir la intención química directamente en estructuras MOF factibles 15 . En conjunto, podrían ayudar a acelerar la entrega de más MOF al mercado.

Siempre que exista una conexión clara entre la comprensión precisa de la nanoescala y las propiedades macroscópicas de los materiales, se reúnen los ingredientes para una tecnología exitosa basada en la nanociencia. Los MOF son un excelente ejemplo de ello.

Referencias

1. Li, H. y col. EnergyChem 1 , 100006 (2019).
2. Knebel, A. y Caro, J. Nat. Nanotecnología. 17 , 911–923 (2022).
3. Hanikel, N., Prévot, MS y Yaghi, OM Nat. Nanotecnología. 15 , 348–355 (2020).
4. Yang, D. y Gates, BC ACS Catal. 9 , 1779–1798 (2019).
5. Kaur, H. y otros. ACS Omega 8 , 9004–9030 (2023).
6. Martínez-Ahumada, E., Díaz-Ramírez, ML, de J. Velásquez-Hernández, M., Jancik, V. & Ibarra, IA Chem. Ciencia. 12 , 6772–6799 (2021).
7. Ding, M., Cai, X. y Jiang, H.-J. Química. Ciencia. 10 , 10209–10230 (2019).
8. Él, T., Kong, X.-J. y Li, J.-R. Acc. Chem. Res. 54 , 3083–3094 (2021).
9. BASF se convierte en la primera empresa en producir con éxito estructuras metalorgánicas a escala comercial para la captura de carbono. BASF (10 de octubre de 2023); https://bit.ly/4oGcrjT
10. Gomollón-Bel, F. Empresa británica alcanza la fabricación de MOF a escala de toneladas. Chemistry World (29 de octubre de 2025); https://go.nature.com/4qMpguq
11. Woody, T. Las startups compiten para crear agua de la nada. Bloomberg (8 de agosto de 2024); https://go.nature.com/47UCyNI
12. Yao, Z. et al. Nat. Mach. Intel. 3 , 76–86 (2021).
13. Choudhary, K. y otros. Comput. Mater. Sci. 210 , 111388 (2022).
14. Kusne, AG y cols. Nat. Comunitario. 11 , 5966 (2020).
15. Kang, Y. y Kim, J. Nat. Comunitario. 15 , 4705 (2024).

 

Fuente: https://www.nature.com/articles/s41565-025-02095-9