Estructuras metalorgánicas: zona Nobel Cristales “Esponja” con una impresionante cantidad de espacio interno

Premio Nobel 2025. Año de Química, Richard Robson, Susum Kitagava y Omar Yaghi, 8 de octubre de 2025. por el desarrollo de estructuras metalorgánicas o MF, que son estructuras cristalinas ajustables con una porosidad extremadamente alta. Se trata de materiales de clase que realmente cambiaron la forma en que los científicos diseñan y piensan sobre la materia, inspirando avances en diferentes aplicaciones.

Soy un científico MF y para muchos de nosotros en este campo, este reconocimiento se siente histórica y profundamente en persona. Los MF no son sólo cristales elegantes que se admiran bajo el microscopio; Son toda la estructura del universo, cada uno como una ciudad en miniatura de túneles y habitaciones esperando ser llenadas. Fueron un hogar científico desde que entré por primera vez en la investigación y todavía me siento un poco mágico.

Entonces, ¿qué son exactamente Mof?

Las estructuras metalorgánicas son como andamios de cristal construidos con dos ingredientes: metales que actúan como uniones de conexión y moléculas orgánicas, es decir, en el caso del carbono, a base de carbono para unir esos compuestos en repetición. El resultado es una estructura porosa y muy ordenada, una especie de arquitectura molecular que también es sólida y está llena de espacio vacío.

Los marcos orgánicos metálicos, que se muestran en este modelo, pueden atrapar menos moléculas dentro de su marco más grande. Jonathan Nackstrand / AFP vía Getty Images

Estos marcos son tan porosos, como una esponja con diminutos espacios en blanco, que es casi imposible imaginarlos. Un gramo de MF tiene tantos poros que puede exhibir tanta superficie interior como un campo de fútbol. Es sorprendente que un puñado de pólvora pueda ocultar en su interior todo el paisaje de la superficie.

Que la enorme superficie es una de las cosas únicas que hacen que el MOF sea tan poderoso y proviene de los poros nanish: pequeñas salas moleculares que pueden capturar, separar, transformar o transportar gases, iones y otras moléculas. En cierto modo, los MOF son como hoteles moleculares con innumerables puertas, cada una de ellas programada para admitir sólo a determinados huéspedes.

Por qué les gustan a los científicos

Lo que me hace más fascinante de las estructuras metalorgánicas es su espacio de diseño de bordes. Visto únicamente en la tabla periódica, cada metal podría, en principio, usarse como piedra angular, e innumerables moléculas orgánicas pueden actuar como puentes que los conecten. Incluso el uso de la misma combinación puede producir arquitecturas completamente diferentes.

El director de Omar Farha compara estructuras metálicas y orgánicas en juegos de Lego que se pueden construir y ajustar.

Hasta ahora, los científicos han sintetizado más de 90.000 mofs y los químicos de cálculo predijeron cientos de miles. Varias familias de materiales ofrecen esta gran versatilidad.

Me gusta pensar en Mofrim como rompecabezas o juegos de Lego, pero a escala atómica. Puedes reemplazar una pieza o cambiar su color o forma y terminar con un material que se comporte de manera completamente diferente.

Si se añade una nueva “decoración”, que los químicos llaman grupo funcional, el marco es repentinamente reconocido por una nueva molécula. Se extienden puentes orgánicos y la misma arquitectura se hincha como globos, dando lo que llamamos mofries isoros. Tienen la misma estructura, pero poros más grandes. En resumen, los MOF pueden tener casi todas las formas, tamaños y texturas imaginables.

Superando los límites de estos materiales

Además de su elegancia científica, los MF son increíblemente prometedores para las tecnologías del mundo real. Diferentes estructuras y funcionalidades conducen a diferentes propiedades y, por tanto, a diferentes usos.

Algunos MF actúan como sitios moleculares, capturando selectivamente dióxido de carbono de gases industriales o directamente del aire. Los demás limpian el agua contaminada eliminando metales pesados, colorantes o “productos químicos permanentes”.

Ciertos MF también pueden usar medicamentos o agentes de grabación dentro del cuerpo para aplicaciones médicas. En el mundo energético funcionan como electrodos o electrolitos que hacen que las baterías sean más seguras y eficientes. Y muchos sirven como catalizadores, aceleran reacciones químicas que transforman una molécula en otra.

Cuando comencé mi doctorado, mis colegas mayores me advirtieron que el MOF podría ser demasiado sensible: hermosos cristales que se aplastarían al primer indicio de aire o humedad. Y, de hecho, algunas de las primeras monturas tenían posibilidades frágiles y eran más admiradas por su elegancia que por su resistencia. Pero esa percepción cambió drásticamente.

Los marcos orgánicos metálicos, como el MF-5 que se muestra aquí, tienen componentes metálicos, “enlazadores” orgánicos y una cavidad que puede permitir la entrada de gases. Tony Boehle / Vikimedia Commons, CC Bi-SA

Muchos MOF son ahora extremadamente robustos. El material con el que trabajé por primera vez fue una estructura organometálica a base de titanio llamada Mil-125. Primero informó a Gerard Ferei, uno de los datos fundadores del Ministerio de Hacienda y de la comunidad marco porosa que lamentablemente murió en 2017. años. MIL-125 no sólo es estable, sino que era prácticamente indestructible en mi laboratorio. Después de sintetizar dos gramos, lo guardé en mi banco de botellas abiertas y usé la misma serie para cada experimento catalítico durante todo el doctorado. Sin guantera, ni desecador, sólo un frasco de polvo amarillo que estaba felizmente sentado en mi banco.

Esa experiencia me ha enseñado algo importante: si bien la estabilidad puede ser una preocupación legítima, los MF son adultos. Gracias a la química inteligente, tenemos materiales que pueden resistir el agua, el calor y el uso repetido. A partir de su fundación, investigadores de todo el mundo han introducido nuevas propiedades con estos materiales, desde la conductividad eléctrica hasta la reacción de la luz, y, lo que es más importante, se han logrado grandes avances en la ampliación de la síntesis de MF para aplicaciones industriales.

El escalado es un paso clave para cerrar la brecha entre el descubrimiento básico y la distribución a gran escala. Los investigadores ya no están satisfechos con el estudio de MF en miligramos; a menudo planeamos planificar en gramos, kilogramos y más.

Algunas nuevas empresas convierten estos avances en tecnología real: para almacenar gases de forma segura, para limpiar el agua directamente del aire del desierto o para construir acondicionadores de aire más eficientes. Lo que antes parecía ciencia ficción (polvos que respiran, atrapan y transforman moléculas) ahora es un hecho científico.

A pesar de estos avances, los investigadores tendrán que seguir mejorando la estabilidad y escalabilidad del MoF para aprovechar plenamente el potencial de estos materiales en el mundo real.

Momento Nobel que honra la creatividad.

Premio Nobel 2025. El año trasciende el homenaje de tres científicos excepcionales: celebra a toda la comunidad: una generación de químicos e ingenieros que han convertido una idea en un área exitosa. La visión pionera de Richard Robson, Susum Kitagava y Omar Yaghi sentó las bases de esta pintoresca disciplina que ha pasado a abarcar todo el almacenamiento de gas y la catálisis de tecnologías energéticas y medioambientales.

Cuando asistí a mi primera Conferencia del Ministerio de Hacienda del Dr. Doctor del Segundo Año. Estudiante, escuché asombrados a muchos pioneros en este campo, algunos de los cuales ahora son premios Nobel. Entonces los chicos se sintieron como una esponja mágica y esa sensación de asombro nunca me abandonó. Esto me llevó a continuar investigando sobre mofrims conductores: materiales que pueden transportar electricidad. Ahora, en mi propio grupo de investigación, estudiamos cómo estos marcos pueden hacer que las baterías sean más seguras y eficientes y cómo capturar los gases residuales y convertirlos en sustancias químicas útiles utilizando la luz solar.

Para mí, este Premio Nobel celebra más que descubrimientos, celebra la filosofía: la química es creativa, podemos diseñar un ingeniero con materia y, a veces, una brecha puede ser la esencia misma de la materia.