La capacidad de generar materiales con propiedades específicas está cambiando lo que es posible en campos como el almacenamiento de energía y la biomedicina. Los marcos metal-orgánicos (MOF, por sus siglas en inglés) son un ejemplo de materiales con posibilidades aparentemente ilimitadas para desarrollar estructuras y propiedades específicas. Gracias al crecimiento de la investigación sobre estos materiales en los últimos 20 años, ahora están preparados para conducir, manejar, llevar a avances en campos que van desde la separación y el almacenamiento de gases hasta catálisis y sensores biomédicos.
El Premio Nobel de Química 2025 fue anunciado el 8 de octubre de 2025, reconociendo la investigación relacionada con los marcos metal-orgánicos (MOF), materiales cristalinos porosos revolucionarios con estructuras ajustables y altas áreas superficiales. La extraordinaria versatilidad de los MOF los convierte en plataformas aplicables para abordar desafíos globales en remediación ambiental, energía renovable, catálisis industrial, diagnóstico médico, administración de fármacos, electrónica y tecnologías de detección. Los científicos de CAS han seguido de cerca los MOF durante algún tiempo (vídeo), y sugirieron que, efectivamente, estaban "listos para el Nobel".
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Los MOF están compuestos por iones metálicos o grupos metálicos y enlazadores orgánicos unidos entre sí mediante enlaces de coordinación, lo que da como resultado un material cristalino poroso. Desde su descubrimiento en la década de 1990 por el Dr. Omar M. Yaghi y su equipo, se han sintetizado casi 90 000 MOF y se han predicho cientos de miles más. Analizamos la CAS Content CollectionTM, la mayor recopilación de información científica catalogada por expertos humanos, para ver dónde estaban teniendo un impacto significativo los MOF, y descubrimos que el número de publicaciones relacionadas con los MOF se ha disparado en solo unos pocos años (véase la Figura 1).
Aunque la mayoría de las publicaciones han aparecido en revistas, el crecimiento de las publicaciones de patentes sugiere que la comercialización más amplia de esta tecnología es inminente. Esto podría significar que se avecinan avances clave para los esfuerzos de descarbonización, el acceso a agua limpia, sensores, sistemas de administración de fármacos y más.
¿Qué son los marcos metal-orgánicos?
Los MOF están compuestos principalmente por metales de transición y enlazadores orgánicos que contienen grupos funcionales como carboxilato, piridilo, sulfonato y cianuro (véase la Figura 2). Las combinaciones de los iones metálicos en los grupos metálicos y los enlazadores orgánicos pueden ser diferentes, y esto es lo que impulsa la variedad de posibles MOF: pueden tener un tamaño de poro, una forma de poro y unas propiedades químicas y físicas variables.
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Las áreas superficiales de los MOF son las más altas registradas para cualquier material, alcanzando hasta 7000 m2/g y se prevé que alcancen hasta 14600 m2/g. También tienen una alta porosidad y funcionalidades químicas ajustables. Esta diversidad hace que los MOF sean útiles en muchas aplicaciones, pero esta naturaleza modular también hace que sea difícil predecir su relación estructura-propiedad y elegir uno para una aplicación específica. Las tecnologías avanzadas pueden ser la clave para abordar este desafío.
Cómo la inteligencia artificial impulsa la investigación de estructuras metal-orgánicas
Las metodologías de inteligencia artificial, incluido el aprendizaje automático, pueden analizar un gran número de estructuras metal-orgánicas (MOF, por sus siglas en inglés) existentes e incluso predecir las propiedades de nuevas MOF, lo que reduce el tiempo y el esfuerzo necesarios para identificar con éxito las MOF adecuadas para una aplicación determinada. Por ejemplo, un método de aprendizaje automático utilizado para analizar la absorción de gas hidrógeno en MOF fue considerado más de tres órdenes de magnitud más rápido que las simulaciones moleculares convencionales.
Del mismo modo, la síntesis de MOF suele implicar un enfoque de prueba y error, que consume tiempo y recursos. Sin embargo, en otro estudio, el aprendizaje automático entrenado con datos de experimentos previos para predecir el resultado de experimentos de síntesis planificados tuvo una tasa de éxito del 89%.
Al evaluar las posibilidades casi ilimitadas en la estructura y las propiedades de las MOF más rápidamente que los investigadores humanos, la tecnología impulsada por la inteligencia artificial puede facilitar el paso de estos materiales de la teoría al uso práctico. En la Contenido CAS, podemos observar el crecimiento de las publicaciones relacionadas con la inteligencia artificial en el ámbito de las MOF en los últimos 10 años. Al observar los 15 conceptos principales indexados por CAS en estos documentos relacionados con la inteligencia artificial, empezamos a encontrar temas como la adsorción y la separación que aumentan en interés junto con los aspectos tecnológicos (ver Figura 3).
Posibles aplicaciones de descarbonización para estructuras metal-orgánicas
La diversidad de propiedades en las MOF las convierte en candidatas adecuadas para el almacenamiento y la separación de gases, la catálisis, el almacenamiento de energía y otras aplicaciones que apoyan los esfuerzos de descarbonización. La Figura 4 muestra los numerosos campos en los que se está llevando a cabo la investigación de MOF según las publicaciones en la Contenido CAS. También encontramos porcentajes notables de patentes en aplicaciones relacionadas con la descarbonización, como el almacenamiento de energía y gas.
¿Por qué los MOF son candidatos tan prometedores para estas aplicaciones? Sus propiedades ajustables son los factores clave:
- Separación y almacenamiento de gases: Hidrocarburos de gran superficie y porosidad, combinados con propiedades químicas ajustables, confieren a los MOF la capacidad de adsorber gases y compuestos orgánicos volátiles (COV). Esto está atrayendo un enorme interés en la separación y el almacenamiento de gases, particularmente para el CO2. Los MOF podrían desempeñar un papel importante en las tecnologías de captura de carbono, que son vitales para reducir las emisiones industriales y controlar el calentamiento global.
ExxonMobil ha presentado patentes de MOF relacionadas con la captura de carbono y la separación de naftaleno. La Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah también ha presentado patentes para la captura de carbono y la separación de gases, y empresas emergentes como Nuada están explorando cómo los MOF pueden ayudar a los fabricantes de cemento a capturar CO2.
- Almacenamiento de energía: Se están estudiando los MOF como materiales de cátodo y ánodo para baterías de iones de litio. También se están investigando para aplicaciones de supercondensadores debido a su gran superficie. Estos dispositivos de almacenamiento de energía se utilizan a menudo en vehículos híbridos y trenes.
- Catálisis: El área superficial de los MOF y la elección de sitios activos o funcionalidades químicas, resultantes de su composición modular, también los hacen adecuados para aplicaciones de catálisis. Estas son importantes para las tecnologías de almacenamiento y conversión de energía, como las pilas de combustible y la electrólisisdel agua. Un estudio descubrió que los nanotubos de carbono dopados con nitrógeno derivados de los MOF exhibían mejorada actividad electrocatalítica y estabilidad en comparación con otros electrocatalizadores.
Podemos observar el panorama de patentes relacionado con estas y otras tecnologías en la Figura 5, particularmente los códigos de la Clasificación Internacional de Patentes (IPC) para Operaciones diversas (B) y Electricidad (H):
Campos adicionales para aplicaciones de MOF
Esa misma variabilidad en la estructura y las propiedades hace que los MOF sean prometedores en muchos otros campos además de los esfuerzos de descarbonización. Por ejemplo, las capacidades de adsorción de los MOF son útiles para la deshumidificación en el aire acondicionado y para generar agua a partir del aire, lo que se conoce como recolección de agua atmosférica. Esto podría ser crucial para desarrollar suministros de agua limpia en regiones que carecen de fuentes de agua potable. En nuestro análisis de patentes, descubrimos que los Regentes de la Universidad de California han estado explorando los MOF para la purificación de agua y aire, así como para la recolección de agua.
Las aplicaciones biomédicas de los MOF también están creciendo. La estructura única de los MOF les permite exhibir luminiscencia a través de diversas vías, como la emisión de enlazadores, la transferencia de carga de ligando a metal y la transferencia de carga de metal a ligando. Esto ha llevado a su uso en sensores basados en luminiscencia, especialmente como biosensores, debido a su baja toxicidad y naturaleza biodegradable.
Estas propiedades luminiscentes y su capacidad para albergar otras nanopartículas luminiscentes están impulsando la aplicación de los MOF en la imagenología biomédica. Los investigadores también están explorando los MOF para sistemas de administración de fármacos, un campo prometedor para la aplicación de nanotecnologías para administrar medicamentos de manera más eficaz en el cuerpo.
Con todas sus aplicaciones potenciales, los MOF están impulsando avances importantes en algunos de nuestros campos científicos más desafiantes. Las mejoras recientes en inteligencia artificial y aprendizaje automático están haciendo que la selección y evaluación de estos materiales sean más rápidas y sencillas, lo que significa que es posible que pronto veamos más avances y usos comerciales.
Para obtener más información sobre la actividad de patentes en torno a los marcos metal-orgánicos, consulte Observatorio de patentes de C&EN
