As estruturas metalorgânicas (MOFs) estão em um ponto de virada comercial?

A capacidade de gerar materiais com propriedades específicas está mudando o que é possível em áreas como armazenamento de energia e biomedicina. As estruturas metalorgânicas (MOFs) são um exemplo de materiais com possibilidades aparentemente ilimitadas para o desenvolvimento de estruturas e propriedades específicas. Graças ao crescimento da pesquisa sobre esses materiais nos últimos 20 anos, eles estão agora prontos para impulsionar avanços em campos que vão desde a separação e armazenamento de gases até catálise e sensores biomédicos.

O Prêmio Nobel de Química de 2025 foi anunciado em 8 de outubro de 2025, reconhecendo pesquisas relacionadas a estruturas metalorgânicas (MOFs), materiais cristalinos porosos revolucionários com estruturas ajustáveis e altas áreas superficiais. A extraordinária versatilidade das MOFs as torna plataformas aplicáveis para enfrentar desafios globais em remediação ambiental, energia renovável, catálise industrial, diagnósticos médicos, entrega de medicamentos, eletrônicos e tecnologias de sensores. Os cientistas da CAS observam as MOFs há algum tempo (vídeo) e sugeriram que elas estavam, de fato, "prontas para o Nobel".

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As MOFs são compostas por íons metálicos ou aglomerados metálicos e ligantes orgânicos unidos por ligações de coordenação, o que resulta em um material cristalino poroso. Desde a descoberta na década de 1990 pelo Dr. Omar M. Yaghi e sua equipe, quase 90.000 MOFs foram sintetizadas e centenas de milhares de outras foram previstas. Analisamos a CAS Content Collection^TM, o maior repositório de informações científicas com curadoria humana, para ver onde as MOFs estavam causando impactos significativos, e descobrimos que o número de publicações relacionadas a MOFs disparou em apenas alguns anos (veja a Figura 1).  

Embora a maioria das publicações tenha sido em periódicos, o crescimento das publicações de patentes sugere que uma comercialização mais ampla dessa tecnologia é iminente. Isso pode significar que avanços importantes estão no horizonte para esforços de descarbonização, acesso à água potável, sensores, sistemas de entrega de medicamentos e muito mais.

O que são estruturas metalorgânicas?

As MOFs são compostas principalmente por metais de transição e ligantes orgânicos contendo grupos funcionais como carboxilato, piridil, sulfonato e cianeto (veja a Figura 2). As combinações dos íons metálicos nos aglomerados metálicos e nos ligantes orgânicos podem ser diferentes, e é isso que impulsiona a variedade de MOFs possíveis — elas podem ter tamanho de poro, formato de poro e propriedades químicas e físicas variáveis.

As áreas superficiais das MOFs são as mais altas já relatadas para qualquer material, chegando a até 7000 m²/g e com previsão de atingir até 14600 m²/g. Elas também possuem alta porosidade e funcionalidades químicas ajustáveis. Essa diversidade torna as MOFs úteis em muitas aplicações, mas essa natureza modular também torna desafiador prever sua relação estrutura-propriedade e escolher uma para uma aplicação específica. Tecnologias avançadas podem ser a chave para enfrentar esse desafio.

Como a IA impulsiona a pesquisa em estruturas metalorgânicas

Metodologias de IA, incluindo aprendizado de máquina, podem rastrear um grande número de MOFs existentes e até prever as propriedades de novas MOFs, reduzindo assim o tempo e o esforço para identificar com sucesso as MOFs certas para uma determinada aplicação. Por exemplo, um método de aprendizado de máquina usado para rastrear MOFs para absorção de gás hidrogênio foi considerado mais de três ordens de magnitude mais rápido do que as simulações moleculares convencionais.  

Da mesma forma, a síntese de MOFs normalmente envolve uma abordagem de tentativa e erro, o que consome tempo e recursos. No entanto, em outro estudo, o aprendizado de máquina treinado com dados de experimentos anteriores para prever o resultado de experimentos de síntese planejados teve uma taxa de sucesso de 89%.

Ao avaliar as possibilidades quase ilimitadas na estrutura e nas propriedades dos MOFs mais rapidamente do que pesquisadores humanos, a tecnologia impulsionada por IA pode facilitar a transição desses materiais da teoria para o uso prático. Na CAS Content Collection, podemos observar o crescimento de publicações relacionadas à IA no espaço dos MOFs nos últimos 10 anos. Ao analisarmos os 15 principais conceitos indexados pela CAS nesses documentos sobre IA, começamos a notar um interesse crescente em temas como adsorção e separação, juntamente com os aspectos tecnológicos (veja a Figura 3).

Aplicações potenciais de descarbonização para estruturas metalorgânicas

A diversidade de propriedades nos MOFs os torna candidatos adequados para armazenamento e separação de gases, catálise, armazenamento de energia e outras aplicações que apoiam os esforços de descarbonização. A Figura 4 mostra as muitas áreas em que a pesquisa de MOFs está ocorrendo, de acordo com publicações na CAS Content Collection. Também encontramos porcentagens notáveis de patentes em aplicações relacionadas à descarbonização, como armazenamento de energia e gás.

Por que os MOFs são candidatos tão promissores para essas aplicações? Suas propriedades ajustáveis são os fatores-chave:

• Separação e armazenamento de gases: A alta área superficial e porosidade, combinadas com propriedades químicas ajustáveis, conferem aos MOFs a capacidade de adsorver gases e compostos orgânicos voláteis (VOCs). Isso está atraindo um enorme interesse na separação e armazenamento de gases, particularmente para o CO₂. Os MOFs podem desempenhar um papel importante nas tecnologias de captura de carbono, que são vitais para reduzir as emissões industriais e controlar o aquecimento global.  
  
  A ExxonMobil registrou patentes de MOFs relacionadas à captura de carbono e separação de naftaleno. A Universidade de Ciência e Tecnologia Rei Abdullah também registrou patentes para captura de carbono e separação de gases, e startups como a Nuada estão explorando como os MOFs podem ajudar fabricantes de cimento a capturar CO₂.

• Armazenamento de energia: Os MOFs estão sendo estudados como materiais de cátodo e ânodo para baterias de íons de lítio. Eles também estão sendo pesquisados para aplicações em supercapacitores devido à sua grande área superficial. Esses dispositivos de armazenamento de energia são frequentemente usados em veículos híbridos e trens.

• Catálise: A área superficial dos MOFs e a escolha de sítios ativos ou funcionalidades químicas, resultantes de sua composição modular, também os tornam adequados para aplicações de catálise. Estas são importantes para tecnologias de armazenamento e conversão de energia, como células de combustível e eletrólise da água. Um estudo descobriu que nanotubos de carbono dopados com nitrogênio derivados de MOFs exibiram melhor atividade eletrocatalítica e estabilidade em comparação com outros eletrocatalisadores.

Podemos ver o panorama de patentes relacionado a essas e outras tecnologias na Figura 5, particularmente os códigos da Classificação Internacional de Patentes (IPC) para Operações de Desempenho (B) e Eletricidade (H):

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Áreas adicionais para aplicações de MOFs

Essa mesma variabilidade de estrutura e propriedade torna os MOFs promissores em muitas outras áreas além dos esforços de descarbonização. Por exemplo, as capacidades de adsorção dos MOFs são úteis para a desumidificação em ar-condicionado e para a geração de água a partir do ar, conhecida como coleta de água atmosférica. Isso pode ser crucial para desenvolver suprimentos de água potável em regiões que carecem de fontes de água limpa. Descobrimos em nossa análise de patentes que os Regentes da Universidade da Califórnia têm explorado MOFs para purificação de água e ar, bem como para a coleta de água.

As aplicações biomédicas dos MOFs também estão crescendo. A estrutura única dos MOFs permite que eles exibam luminescência por vários caminhos, como emissão de ligantes, transferência de carga ligante-metal e transferência de carga metal-ligante. Isso levou ao seu uso em sensores baseados em luminescência, especialmente como biossensores, devido à sua baixa toxicidade e natureza biodegradável.

Essas propriedades luminescentes e sua capacidade de hospedar outras nanopartículas luminescentes estão impulsionando a aplicação de MOFs em imagens biomédicas. Pesquisadores também estão explorando MOFs para sistemas de entrega de medicamentos, um campo promissor para a aplicação de nanotecnologias para entregar medicamentos de forma mais eficaz no corpo.

Com todas as suas aplicações potenciais, os MOFs estão impulsionando avanços importantes em alguns de nossos campos científicos mais desafiadores. Melhorias recentes em IA e aprendizado de máquina estão tornando a triagem e a avaliação desses materiais mais rápidas e fáceis, o que significa que mais avanços e usos comerciais podem estar próximos.  

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Para mais informações sobre a atividade de patentes em torno de estruturas metalorgânicas, confira Eye on Patents da C&EN