El Premio Nobel de Química de 2025: ¿Qué son los MOF?

La Real Academia Sueca de las Ciencias concedió el Premio Nobel de Química 2025 a Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi por su investigación de vanguardia sobre los marcos metalorgánicos (MOF). Estos revolucionarios materiales, con sus enormes superficies internas, sus estructuras de poros sintonizables y su diseño unitario, han demostrado ser una piedra angular de la química de materiales, con usos revolucionarios en el almacenamiento de energía, la descontaminación medioambiental y la ingeniería molecular.

Fig. 1 Premio Nobel de Química 2025

Introducción a los MOF

Los MOF son cristales sólidos tridimensionales compuestos por iones metálicos o clústeres coordinados con ligandos orgánicos, que producen estructuras tridimensionales con arquitecturas de poros altamente sintonizables. Gracias a la sinergia de su elevada superficie, densidad luminosa y estructura elástica, los químicos pueden crear estructuras con un tamaño de poro, una funcionalidad química y unas propiedades mecánicas predecibles.

Ciertos MOF alcanzan una superficie interna de más de 7.000 m²/g, un orden de magnitud mejor que el carbón activado, con un potencial incomparable para el almacenamiento y la separación de moléculas. La modularidad de los MOF también permite la funcionalización para una aplicación, que va desde la separación y el almacenamiento de gases hasta el suministro de fármacos y la catálisis.

Historia y desarrollo de los MOF

La construcción de los marcos metalorgánicos (MOF ) comenzó con Richard Robson en 1989, cuando ideó la teoría de unir iones de cobre con un enlazador orgánico de cuatro brazos para producir una red cristalina con cavidades definidas con precisión. Esto abrió el camino a lo que se convirtió en un campo de investigación en rápido desarrollo.

A continuación, Susumu Kitagawa demostró la versatilidad de los MOF con la capacidad de las estructuras de alterarse mediante transformaciones estructurales, de forma que las estructuras pueden "respirar" en función de las moléculas huéspedes.

Posteriormente, Omar Yaghi amplió aún más el campo con la síntesis del MOF-5, un material que posee una asombrosa superficie de más de 3.000 m²/g y una buena capacidad de absorción de gases, lo que demuestra la utilidad práctica del material en aplicaciones del mundo real.

Sus contribuciones, colectivamente, establecieron los MOF como una misteriosa familia de sólidos cristalinos porosos con posible aplicación y también interés inherente.

Fig. 2 Representación esquemática de importantes MOFs reportados

Métodos de síntesis de MOFs

El métodosolvotérmico sigue siendo el más popular para la síntesis de MOFs. Aquí, las sales metálicas y los ligandos orgánicos se mezclan en disolventes orgánicos próticos o apróticos funcionalizados con formamida. La reacción suele llevarse a cabo bajo presión autógena superior al punto de ebullición del disolvente en un autoclave, donde se permite el crecimiento de cristales y se consiguen estructuras muy ordenadas. El crecimiento lento de los cristales suele ser necesario para obtener cristales grandes y sin defectos con una superficie interna óptima.

Aunque la síntesis solvotérmica es convencional y segura, han surgido algunos otros métodos para hacer ajustables las estructuras de los productos y mejorar su eficacia. Técnicas como la síntesis asistida por microondas, sonoquímica, mecanoquímica, electroquímica e ionotérmica están ganando cada vez más adeptos.

Por ejemplo, la síntesis mecanoquímica emplea molienda y energía mecánica en lugar de disolventes, lo que minimiza la carga medioambiental y permite un rápido desarrollo de estructuras. También se ha demostrado que la síntesis asistida por microondas genera MOF con una cristalinidad comparable en cuestión de minutos en lugar de horas. Todos estos avances son importantes para la producción a gran escala de MOF y la determinación de nuevas arquitecturas.

Fig. 3 Síntesis solvotérmica convencional de estructuras MOF

Aplicaciones potenciales de los MOF

Las propiedades únicas de los MOF -baja densidad, alta área superficial, porosidad sintonizable y flexibilidad estructural- ofrecen una enorme gama de aplicaciones potenciales:

• Almacenamiento y suministro de gas: Los MOF poseen un valor de aplicación único en el almacenamiento de hidrógeno, metano y dióxido de carbono. Por ejemplo, el MOF-5 adsorbe más del 20% en peso de hidrógeno a 77 K y 1 bar, y el MOF-177 tiene una adsorción de CO₂ de más de 6 mmol/g a 298 K y 1 bar. Estos atributos han convertido a los MOF en materiales limpios de almacenamiento de energía, como las pilas de combustible de hidrógeno y los coches de metano.
• Remediación medioambiental: Los MOF se han utilizado para eliminar contaminantes del agua y el aire. Algunos MOF adsorben PFAS ("sustancias químicas para siempre") selectivamente de las aguas residuales, mientras que otros tienen afinidad por el dióxido de carbono, lo que permite la captura de carbono. Por ejemplo, el Mg-MOF-74 tiene capacidades de adsorción de CO₂ de hasta 8 mmol/g en condiciones ambientales, lo que lo hace viable para su aplicación en el control de emisiones.
• Captación de agua: Ciertos MOF son capaces de cosechar agua del aire árido. Descrito en pruebas de campo en ambientes áridos, el MOF-801 a base de circonio recogió 2,8 litros de agua por kilogramo de MOF al día en condiciones de baja humedad (20-30% de humedad relativa).
• Administración de fármacos: Las arquitecturas porosas de MOF permiten encapsular moléculas terapéuticas para su liberación controlada. En estudios experimentales, las matrices de MIL-100(Fe) han liberado fármacos contra el cáncer con mayor estabilidad y características de liberación selectiva, reduciendo la toxicidad sistémica.
• Almacenamiento de energía y electrónica: Los MOF se exploran para aplicaciones en supercondensadores, baterías y catálisis. Los MOF pueden utilizarse como materiales de electrodos de alta capacidad y conductividad o como soportes catalíticos para nanopartículas metálicas catalíticamente activas.

Estos usos son la prueba de que los MOF ya no son una curiosidad de laboratorio; ya están demostrando un rendimiento cuantificable en el mundo real en numerosas aplicaciones. La comercialización a escalas superiores a las de laboratorio sigue siendo un reto, pero la investigación sigue tratando de mejorar la estabilidad, la reproducibilidad y la economía.

Fig. 4 Aplicaciones en energía, administración de fármacos y tratamiento de aguas residuales

Conclusión

El Premio Nobel de Química 2025 concedido a Kitagawa, Robson y Yaghi pone de manifiesto el tamaño transformador de los MOF. Desde conceptos estructurales innovadores hasta métodos de síntesis de alta tecnología y aplicaciones sin explotar en el futuro, los MOF son un tributo a la unión de la química fundamental con la utilidad práctica. Para más noticias industriales y soporte técnico, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Referencias:

1. Dey, Chandan & Kundu, Tanay & Biswal, Bishnu & Mallick, Arijit & Banerjee, Rahul. (2013). Crystalline metal-organic frameworks (MOFs): synthesis, structure and function. Acta Crystallographica Section B. 70. 3-10. 10.1107/S2052520613029557.
2. Ganesan, M. (s.f.). Are metal-organic frameworks (MOFs) at a commercial tipping point? CAS Insights.
3. Raptopoulou, C. P. (2021). Metal-organic frameworks: Synthetic methods and potential applications. Materials (Basilea), 14(2), 310. (https://doi.org/10.3390/ma14020310)
4. Sanders, R. (2025, 8 de octubre). Omar Yaghi, de UC Berkeley, comparte el Premio Nobel de Química 2025. Berkeley News.
5. Real Academia Sueca de las Ciencias. (2025). La Real Academia Sueca de las Ciencias ha decidido conceder el Premio Nobel de Química 2025. Comunicado de prensa del Premio Nobel.
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