Nuestro equipo de ingeniería fabrica sensores diminutos y versátiles a partir de la conquista Nobel de la “estructura metalorgánica”.

Cuando Omar Yaghi, el “padre de los marcos orgánicos metálicos” o MF, recibió el Premio Nobel de Química en 2025, junto con Susum Kitagava y Richard Robson celebraron algo más que la creación de una nueva clase de materiales cristalinos. Reconoció la revolución que está cambiando pacíficamente el hecho de que los científicos capturen, protejan y sientan las moléculas. Estos MOF podrían habilitar tecnologías sensoriales que hagan que los lugares de trabajo, el medio ambiente y los cuerpos humanos sean más seguros.

¿Qué son los MOF y por qué son esenciales?

Los MF se producen conectando iones metálicos (átomos que llevan compensación eléctrica) con moléculas orgánicas, bloques de construcción a base de carbono ubicados en la mayoría de los seres vivos. Juntos forman pequeñas estructuras parecidas a esponjosas llenas de poros microscópicos. Puedes imaginarlos como andamios a escala atómica llenos de tamaño nanométrico, cada uno diseñado con precisión para albergar ciertas moléculas como invitados.

Las estructuras metalorgánicas, como las MOF-5 que se presentan aquí, tienen componentes metálicos, “enlazadores” orgánicos y cavidades que pueden permitir la entrada de gases. Tony Boehle / Vikimedia Commons, CC Bi-SA

Dado que los químicos pueden mezclar y adaptar diferentes metales y compuestos orgánicos, existen miles de MF posibles, cada uno con propiedades únicas. Dependiendo de cómo estén estructurados, algunos tienen tantas superficies internas como para que un gramo cubra el área de fútbol.

Esta porosidad esponjosa (es decir, muchos pequeños agujeros en su interior) permite que los mofs atrapen y liberen gases almacenados en combustibles ricos en energía como el hidrógeno y que atrapan a los contaminantes adversos. Los MF pueden utilizar varias sustancias químicas en su estructura, lo que permite a los investigadores adaptar la fuerza con la que se comunican los MF con moléculas específicas.

Estas características ya están inspiradas en el uso potencial, como el dióxido de carbono del aire, para reducir las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera, extrayendo agua limpia del aire húmedo y administrando medicamentos al interior del cuerpo. Durante la última década, las propiedades únicas del MF también han abierto nuevas oportunidades para sentir y descubrir.

Desde 2016, nuestro equipo de ingenieros desarrolla sensores basados ​​en MF, que en tiempo real pueden detectar ciertos gases y vapores en el ambiente. Las propiedades únicas de estos materiales abren nuevas oportunidades para sentir en el control de la salud, la seguridad y la protección del medio ambiente.

Del material de almacenamiento al material sensible

Cuando MF confía en moléculas de gas o líquido, su diminuta estructura siempre cambia: puede cambiar de tamaño, cómo desvía la luz o cómo conduce la corriente, y cuántas moléculas absorbe.

Al conectar el MF a dispositivos que pueden detectar cambios en la luz o la corriente, los investigadores pueden convertir estos pequeños cambios en señales mensurables como luz, frecuencia o voltaje. Luego, las señales revelan qué sustancia química está presente y cuántas hay. Simplemente, cuando las moléculas entran o salen de los poros de los MOF, hay un pequeño cambio en el modo en que la luz viaja a través de ellos o en cómo se comporta la corriente a su alrededor, y estos cambios se convierten en una salida de sensor legible.

Nuestro grupo de la Universidad y Tecnología de Missouri ha desarrollado varios tipos de MF basados ​​en MF. A través de todas estas plataformas, la idea básica es la misma: los MF se comportan como esponjas selectivas que temporalmente tienen ciertas moléculas de gas en sus jaulas de hojalata, y nuestros dispositivos miden el tiempo y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y la cantidad de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y el importe de esta entrada y la emisión.

En un estudio, adjuntamos una base de cristal MOF llamada HKUST-1 a un extremo liso y plano de la fibra óptica de corte de vidrio vidrio vidrio vidrio vidrio vidrio vidrio vidrio utilizado para transportar señales telefónicas y de Internet.

Esta combinación de fibra de cristal funcionó como un pequeño dispositivo que podía medir cómo las ondas de luz se distraían entre sí. A medida que las moléculas cercanas al gas se movieron hacia los pequeños poros de Cristal Cristal, la luz reflejada cambió un poco y la luz reflejada ligeramente. Las fibras ópticas, conectadas a la fuente de luz y al detector, captaron estos cambios, permitiéndonos ver cuántas moléculas de gas están en progreso.

Nuestras sondas muestran que no sólo las moléculas de gas entran en pequeñas jaulas de MF, sino también la rapidez con la que entran y salen. Midiendo la cantidad y velocidad de adsorción y exención, podemos decir qué moléculas se transfieren y en qué proporción, cuando se presentan varias juntas. Esta vista dinámica nos ayuda a ver, en tiempo real, cómo el material elige un gas objetivo sobre otros. Gira la adsorción en una señal útil y mensurable para la sensibilidad y la identificación.

En el ámbito de la atención sanitaria, el MoF puede actuar como esponjas selectivas para moléculas específicas del aliento que indican enfermedades reales y mensurables. Por ejemplo, el MF diseñado para adsorber acetona puede capturar y concentrar este gas del aliento exhalado. El nivel de acetona aumenta por encima de los valores normales en personas con cetoacidosis diabética, lo que permite que el sensor detecte la enfermedad de forma clara y cuantitativa.

El profesor Jie Huang y su equipo de Missary S & T desarrollaron un sensor de respiración basado en el Nih, que fue financiado por Cavid-19 y que también puede usarse para detectar biomarcadores de enfermedades como la acetona y el amoníaco en la exhalación. Michael Pierce / Misuri S & T

Asimismo, el MF, que el amoníaco adsorbible selectivamente puede concentrar este compuesto en el aliento exhalado. El nivel de amoníaco aumenta por encima de los valores normales en personas con enfermedades renales crónicas, por lo que el sensor puede proporcionar un indicador definitivo de una función renal reducida. La integración de dichos MF en el hardware del sensor permitiría una detección sensible y no invasiva de estas dos enfermedades, basada en marcadores de aliento cuantificados.

El recubrimiento de materiales con una fina capa de MF puede llevar horas. Pero recientemente desarrollamos un método de “dibujo” rápido y sencillo que forma una capa cristalina de cobre MOF HKUST-1 en el extremo de las fibras ópticas en menos de dos minutos. La película resultante, de sólo aproximadamente 1/20 del ancho de un cabello humano, actuó como un sensor de gas de alto rendimiento, que detectó humedad, etanol o dióxido de carbono en el ambiente en cuestión de segundos.

También combinamos los MF con un dispositivo metálico manual que puede detectar cambios en las señales de microondas, un poco como la antena de radio capta ondas invisibles en el aire. Cuando las moléculas de gas entraron en la capa MF, cambiaron un poco a medida que el dispositivo respondía a esas ondas, lo que le permitió detectar gases sobresalientes.

Este sensor fue fabricado con un dispositivo portátil de bajo presupuesto que podía detectar un tipo de molécula de gas excepto el otro, revelando no solo que hay algo de gas presente. Es como si tuvieras una nariz que pudiera distinguir una naranja de una manzana, sin simplemente reconocer que algo huele a fruta.

Nuestra investigación sugiere que los sensores MF dentro de dispositivos compactos y energéticamente eficientes pueden seleccionar ciertas moléculas, incluso cuando solo hay cantidades en las trazas presentes en el aire. PORI MF se puede diseñar para concentrar moléculas diana específicas. Todas las moléculas más pequeñas que las ventanas de la jaula del MF entrarán en la jaula. Entonces, diseñamos sensores para que las moléculas que nos interesaban vivan más tiempo en jaulas. La enorme superficie interna creada por estos poros los hace increíblemente responsables. Incluso unas pocas moléculas capturadas pueden transmitir una señal clara.

Estos sensores también funcionan a temperatura ambiente y nuestra investigación sugiere que son más precisos y adaptables que muchos sensores químicos tradicionales.

Según la influencia en el mundo real.

Los principales desafíos residen en mejorar la durabilidad a largo plazo y la resiliencia ambiental. Muchos marcos se degradan con la humedad o el calor, aunque algunos grupos de investigación buscan cómo hacerlos más estables.

En combinación con máquinas para aprender, estos sensores pueden aprender a reconocer patrones de varios gases a la vez, en lugar de descubrir solo una sustancia química al mismo tiempo, de manera similar a como la nariz humana puede detectar diferentes olores. Esta capacidad puede incluso ampliarse para controlar el aliento humano, donde cambios sutiles en los gases exhalados proporcionan rastros tempranos de enfermedades como diabetes, infecciones pulmonares o cáncer.

Los investigadores trabajan en la instalación de MF en películas flexibles, circuitos impresos y dispositivos inalámbricos. Con estos nuevos avances y más investigaciones, los MOF algún día podrán unir la química y la ingeniería. Como reconoce el Premio Nobel, los MF muestran cómo el diseño a escala molecular puede ayudar a aliviar los problemas humanos a nivel global.

Si los investigadores pueden aumentar esta tecnología y superar los desafíos, las redes de sensores ópticos y de microondas de Monfa Modinia en plantas industriales, tuberías e incluso el aliento humano en busca de sustancias químicas no deseadas mejorarán la seguridad, la eficiencia y la salud.