¿Están los marcos metal-orgánicos (MOF) en un punto de inflexión comercial?

La capacidad de generar materiales con propiedades específicas está transformando lo que es posible en sectores como el almacenamiento de energía y la biomedicina. Las estructuras metal-orgánicas (MOF, por sus siglas en inglés) son un ejemplo de materiales con posibilidades aparentemente ilimitadas para desarrollar estructuras y propiedades concretas. Gracias al crecimiento de la investigación sobre estos materiales en los últimos 20 años, están ahora preparadas para impulsar avances en campos que van desde la separación y el almacenamiento de gases hasta la catálisis y los sensores biomédicos.

El Premio Nobel de Química 2025 se anunció el 8 de octubre de 2025, reconociendo la investigación relacionada con las estructuras metal-orgánicas (MOF), materiales cristalinos porosos revolucionarios con estructuras ajustables y grandes superficies. 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 Collection^TM, el mayor repositorio de información científica curado por expertos, para ver dónde estaban teniendo un impacto significativo los MOF, y descubrimos que el número de publicaciones relacionadas con ellos se ha disparado en pocos años (véase la Figura 1).  

Aunque la mayoría de las publicaciones han aparecido en revistas científicas, el crecimiento de las publicaciones de patentes sugiere que una comercialización más amplia de esta tecnología es inminente. Esto podría significar que se avecinan avances clave en los esfuerzos de descarbonización, el acceso a agua limpia, sensores, sistemas de administración de fármacos y más.

¿Qué son las estructuras metal-orgánicas?

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 iones metálicos en los grupos metálicos y los enlazadores orgánicos pueden variar, y esto es lo que impulsa la variedad de posibles MOF: pueden tener tamaños de poro, formas de poro y propiedades químicas y físicas variables.

Las superficies de los MOF son las más altas registradas para cualquier material, alcanzando hasta 7000 m²/g y con previsiones de llegar hasta los 14600 m²/g. También poseen una alta porosidad y funcionalidades químicas ajustables. Esta diversidad hace que los MOF sean útiles en muchas aplicaciones, pero esta naturaleza modular también dificulta la predicción de su relación estructura-propiedad y la elección de uno para una aplicación específica. Las tecnologías avanzadas pueden ser la clave para abordar este desafío.

Cómo la IA impulsa la investigación de las estructuras metal-orgánicas

Las metodologías de IA, incluido el aprendizaje automático, pueden analizar grandes cantidades de MOF existentes e incluso predecir las propiedades de otros nuevos, reduciendo así el tiempo y el esfuerzo necesarios para identificar con éxito los MOF adecuados para una aplicación determinada. Por ejemplo, se descubrió que un método de aprendizaje automático utilizado para analizar la absorción de gas hidrógeno en MOF era 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 ensayo y error, lo 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 los MOF con mayor rapidez que los investigadores humanos, la tecnología impulsada por IA puede facilitar el paso de estos materiales de la teoría a la aplicación práctica. En CAS Content Collection, observamos el crecimiento de las publicaciones relacionadas con la IA en el ámbito de los MOF durante los últimos 10 años. Al analizar los 15 conceptos principales indexados por CAS en estos documentos sobre IA, empezamos a ver un creciente interés en temas como la adsorción y la separación, junto con los aspectos tecnológicos (véase la Figura 3).

Posibles aplicaciones de descarbonización para los marcos metal-orgánicos

La diversidad de propiedades de los MOF los convierte en candidatos idóneos para el almacenamiento y la separación de gases, la catálisis, el almacenamiento de energía y otras aplicaciones que respaldan los esfuerzos de descarbonización. La Figura 4 muestra los numerosos campos en los que se investigan los MOF según las publicaciones de CAS Content Collection. También detectamos 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: Ha gran superficie y porosidad, combinadas con propiedades químicas ajustables, confieren a los MOF la capacidad de adsorber gases y compuestos orgánicos volátiles (COV). Esto está despertando un enorme interés en la separación y el almacenamiento de gases, especialmente para el CO₂. Los MOF podrían desempeñar un papel importante en las tecnologías de captura de carbono, 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 exploran cómo los MOF pueden ayudar a los fabricantes de cemento a capturar CO₂.

• Almacenamiento de energía: Se estudian los MOF como materiales de cátodo y ánodo para baterías de iones de litio. También se investigan 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: La superficie 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 tecnologías de almacenamiento y conversión de energía, como las pilas de combustible y la electrólisis del agua. Un estudio reveló que los nanotubos de carbono dopados con nitrógeno derivados de MOF mostraban una mejor actividad electrocatalítica y estabilidad en comparación con otros electrocatalizadores.

Podemos ver 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 de Procesamiento (B) y Electricidad (H):

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Campos adicionales para las aplicaciones de los MOF

Esa misma variabilidad de estructura y 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 la generación de agua a partir del aire, conocida 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 exploran los MOF para sistemas de administración de fármacos, un campo prometedor para la aplicación de nanotecnologías con el fin de administrar medicamentos en el cuerpo de forma más eficaz.

Con todas sus aplicaciones potenciales, los MOF están impulsando avances importantes en algunos de nuestros campos científicos más desafiantes. Las mejoras recientes en IA y aprendizaje automático están haciendo que la selección y evaluación de estos materiales sean más rápidas y sencillas, lo que significa que podrían estar cerca más avances y usos comerciales.

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Para obtener más información sobre la actividad de patentes en torno a los marcos metal-orgánicos, consulte Eye on Patents de C&EN