Polvos mágicos, ¿para todo?

La Ciencia y Tecnología de Materiales tiene por costumbre proveernos de prodigios que ayudan, mejoran, asombran y en ocasiones nos alienan. Por esto, los materiales han estado unidos al progreso de la especie humana desde sus orígenes. No en vano, las primeras civilizaciones toman sus nombres de aquellos materiales más utilizados, a saber: Edad de bronce, Edad de hierro, Edad de piedra…

Hoy en día la piedra y la espada están ya algo desfasadas y los avances en el área de los materiales se han tornado muy refinados, diseñando los materiales desde la escala atómica con resultados cada vez más sorprendentes y esperanzadores. Ejemplos de ello son el grafeno,1 al que los más sensacionalistas bautizaron como “el material del futuro” (sin andar muy desencaminados); los materiales con memoria de forma,2 que responden a estímulos externos con cambios en su morfología; los aerogeles, excelentes aislantes térmicos y ligeros como una pluma o todas las tecnologías derivadas de la nanociencia que poco a poco van calando en nuestra cotidianeidad.3

En esta línea, aparecen en escena unos nuevos materiales moleculares, cada vez más tendenciosos en multitud de áreas de aplicación. Hablemos de los metal-organic frameworks (MOFs) o, en castellano, entramados metal-orgánicos.

Los MOF son compuestos de coordinación cristalinos formados por la combinación de centros metálicos o clústeres de varios iones metálicos con ligandos orgánicos, dando lugar a estructuras porosas que se extienden en el espacio. En otras palabras, son materiales nanoestructurados que, como si de LEGO se tratara, se componen de dos tipos de piezas: átomos metálicos como nodos, unidos por moléculas orgánicas (figura 1), cuando se obra la magia de la química.

Elementos básicos de conformación de un material MOF y los clústeres metálicos y ligandos orgánicos más utilizados para ello.4
Elementos básicos de conformación de un material MOF y los clústeres metálicos y ligandos orgánicos más utilizados para ello.4

Ya se tiene constancia de este tipo de compuestos desde hace décadas. Sin embargo, no fue hasta los años 90 cuando emergieron con especial interés. Concretamente en el año 1995, a partir de la publicación de O. M. Yaghi y col.5 en la prestigiosa revista Nature, donde se acuña por primera vez el término MOF. Éste fue un punto de inflexión en el estudio de estos compuestos, pues se incluye el uso de técnicas de adsorción de gases para conocer su porosidad permanente, abriendo un extenso abanico de aplicaciones asociadas a esta propiedad. La innovación de este trabajo abrió las puertas a un nuevo campo de investigación para la comunidad científica que viene desarrollando nuevos materiales de tipo MOF a un ritmo exponencial a lo largo de los últimos años. Cabe mencionar, que el Profesor Yaghi (al que muchos le califican como padre de los MOFs) recibió el Premio Fronteras6 de la Fundación BBVA el pasado enero de 2018 por su inabarcable trabajo en este campo.

Las características que hacen a estos materiales tan atractivos son su porosidad, su estabilidad química, su diversidad estructural y, sobre todo, su área superficial. Es ésta una propiedad enormemente interesante para aplicaciones basadas en la superficie como la adsorción de gases o contaminantes, (recordemos que la adsorción es un fenómeno dependiente de la superficie, distinto de la absorción que depende del volumen), algo muy indicado en estos tiempos de cambio climático y en el que urgen las soluciones para reducir emisiones de CO2.

El volumen y tamaño de poros, así como su área superficial, son los que confieren al MOF gran capacidad de adsorción. Por ello, en la última década se libró una auténtica carrera en este campo por conseguir el MOF de mayor área superficial y, por tanto, mayor capacidad de almacenamiento. Y en el año 2012 tuvimos ganador. Fue el compuesto NU-110 (figura 2), publicado por Farha y col.,7 con un área superficial de 7140 m2·g-1. Este valor se traduce en que un solo gramo de este material alberga la superficie equivalente al campo de fútbol de San Mamés (en unidades de “campos de fútbol” todo se entiende mejor).

Estructura y dimensiones de los poros estructurales del compuesto NU-110 (las esferas amarillas y verde representan los poros accesibles).7
Estructura y dimensiones de los poros estructurales del compuesto NU-110 (las esferas amarillas y verde representan los poros accesibles).7

A medida que se iban publicando los sucesivos éxitos de estos materiales en la adsorción y almacenamiento de gases como el CO2, CH4, NO, CO, etc., se iba constatando su eficacia para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. El récord alcanzado en la cantidad adsorbida de CO2 por un MOF se lo llevó en 2010 el MOF-2008, con una cantidad de 2410 mg de CO2 por cada gramo de este material, lo que también representa la mayor cantidad de este gas adsorbida por cualquier material cristalino hasta la fecha (figura 3). Habida cuenta de lo anterior, se diría que estamos ante unos buenos candidatos para mitigar el calentamiento global, entre otras cosas.

Valores de adsorción de CO2 en función de la presión para los MOFs más conocidos en la bibliografía.8
Valores de adsorción de CO2 en función de la presión para los MOFs más conocidos en la bibliografía.

La virtudes de estos materiales no se limitan al campo de la adsorción y almacenamiento de gases, sino que han demostrado sobradamente su eficacia en campos tan relevantes como la catálisis heterogénea (no sólo con altas tasas de conversión en reacciones de la industria química sino con la posibilidad de recuperar y reutilizar el catalizador), la conductividad protónica (de gran importancia en la futura generación de baterías y pilas de combustible), la adsorción de contaminantes en agua en pocos minutos, el almacenamiento y transporte de agua (de evidente utilidad en zonas geográficas más áridas), la óptica, la liberación controlada de fármacos (en la que el MOF almacena el fármaco antitumoral y lo liberaría de forma controlada y localizada en el tumor, como alternativa a tratamientos actuales más agresivos), etc.9

Muestra en polvo de MOF de cobre con propiedades adsorbentes, obtenido en la Universidad del País Vasco UPV/EHU.
Muestra en polvo de MOF de cobre con propiedades adsorbentes, obtenido en la Universidad del País Vasco UPV/EHU.

Con estas premisas, el titular estaba servido: “Aplicaciones ilimitadas: Los ‘polvos mágicos’ que podrían prevenir las crisis futuras”.10 Sensacionalismos aparte (que parecen seguir a la ciencia a cada logro), aunque sigan entrañando ciertas limitaciones, como su estabilidad en condiciones de humedad o producción a gran escala, el interés que suscitan los MOF sigue al alza. Tanto ha sido así que el estudio de este tipo de materiales multifuncionales ha sido considerado recientemente por Thomson Reuters, en su último informe sobre los campos de investigación preferentes en ciencia,11 como el área de estudio más activa y candente en Química y Ciencia de Materiales.

En el amplio horizonte del estudio de los MOFs se vislumbran aplicaciones que, si bien se antojan nimias, supondrían un gran impacto en nuestra calidad de vida, a nivel económico y a nivel medioambiental. Todo apunta a que seguiremos viendo en los titulares a estos “polvos mágicos” que parecen haber llegado para mejorar nuestras vidas, una costumbre ya milenaria en la Ciencia de Materiales.

Este artículo nos lo envía Eder Amayuelas (@iufala) geólogo y doctor en Ciencia y Tecnología de Materiales. Su investigación se centra en la cristalografía de nuevos materiales. Divulgador, inquieto y eterno aprendiz. Ha creado la asociación para la divulgación científica LOGOS elkartea que, entre otras cosas, pretende acercar la cultura científica a barrios desfavorecidos. Además, es webmaster de la plataforma de divulgación Crystal Clear y participa activamente como voluntario y coordinador de proyectos sociales.

Referencias científicas y más información:

1 V. Singh, D. Joung, L. Zhai, S. Das, S. I. Khondaker, S. Seal, Prog. in Mater. Sci., 2011, 56, 1178–1271.

2 W. M. Huang, Z. Ding, C. C. Wang, J. Wei, Y. Zhao, H. Purnawali. Mater. Today, 2010, 13, 54-61.

3 M. Benelmekki, An introduction to nanoparticles and nanotechnology, Morgan & Claypool Publishers, abril 2013.

4 A. J. Howarth, Y. Liu, P. Li, Z. Li, T. C. Wang, J. T. Hupp, O. K. Farha, Nat. Rev. Mater., 2016, 1, 15018-15032.

5 O. M. Yaghi, G. Li, H. Li, Nature, 1995, 378, 703-706.

6 https://elpais.com/elpais/2018/01/23/ciencia/1516712416_663603.html

7 O. K. Farha, I. Eryazici, N. C. Jeong, B. G. Hauser, C. E. Wilmer, A. A. Sarjeant, R. Q. Snurr, S. T. Nguyen, A. O. Yazaydin, J. T. Hupp, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 15016-15021.

8 H. Furukawa, N. Ko, Y. B. Go, N. Aratani, S. B. Choi, E. Choi, A. O. Yazaydin, R. Q. Snurr, M. O’Keeffe, J. Kim, O. M. Yaghi, Science, 2010, 329, 424–428.

9 H. Furukawa, K. E. Cordova, M. O’Keeffe, O. M. Yaghi, Science, 2013, 341, 974-986.

10 https://www.theguardian.com/sustainable-business/2017/jul/07/limitless-applications-the-magic-powder-that-could-prevent-future-crises

11 X. Zhang, L. Guo, Research Fronts 2014: 100 Top Ranked Specialties in the Sciences and Social Sciences, Thomson Reuters, diciembre 2014.

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