• Los Marcos Metal-Orgánicos (MOFs) han sido estudiados durante mucho tiempo por sus posibles beneficios en procesos que requieren materiales programables y altamente porosos.
• Ahora, los investigadores de IMDEA Materiales están aplicando técnicas computacionales para ir más allá de los MOFs tradicionales mediante la introducción de compuestos poliméricos, mejorando su rendimiento mecánico y escalabilidad industrial.
Esta nueva clase de materiales podría tener un impacto significativo en las tecnologías de captura de carbono, administración de fármacos e incluso economía del hidrógeno.
Los Marcos Metal-Orgánicos, o MOFs, han sido estudiados durante más de tres décadas. Sin embargo, todavía se desconocen muchos aspectos científico-técnológicos que permitan su aplicabilidad industrial.
«Desde su descubrimiento en la década de 1990, los MOFs se han convertido en materiales muy populares debido a sus propiedades interesantes y su amplio rango de aplicaciones, incluyendo la separación y el almacenamiento de gases, la administración de fármacos y plásticos ignífugos», explica la Dra. Phuong Vo del Instituto IMDEA Materiales.
La imagen superior muestra la interfaz entre UiO66 (MOF) con PVDF (polímero) en un compuesto UiO66/PVDF. Imagen: Dra. Phuong Vo, Instituto IMDEA Materiales
Como su nombre sugiere, los MOFs están construidos a partir de bloques metálicos y orgánicos. Debido a sus topologías, los MOFs tienen una porosidad ultra alta, áreas internas excepcionales grandes y una estructura ajustable que los hace muy adecuados para diversas aplicaciones de separación de gases.
Funcionando como una especie de esponja de alta tecnología, estos materiales se pueden ajustar para separar y atrapar las emisiones dañinas de CO2 liberadas durante distintos procesos industriales antes de que lleguen a la atmósfera.
Esta es un área de gran importancia, especialmente para la industria del petróleo y el gas. La separación de gases mediante membranas se considera una técnica altamente atractiva y eficiente en términos de energía para la captura de CO2.
El potencial de los MOFs para el almacenamiento de hidrógeno (H2) también se está explorando. Muchos consideran que el H2 es una de las alternativas más prometedoras a los combustibles fósiles tradicionales para minimizar las emisiones de carbono, ya que no emite CO2 en su combustión.
Sin embargo, aunque el H2, como combustible, tiene el mayor contenido energético por unidad de masa (densidad energética por unidad de masa), tiene una baja densidad energética por unidad de volumen. Esta baja densidad a temperatura ambiente complica su almacenamiento, ya que requiere más espacio que otros combustibles a menos que se comprima o licúe.
Aquí es donde entran en escena los MOFs, los materiales ideales para el almacenamiento de H2 basado en la fisisorción, el proceso mediante el cual las moléculas de gas están físicamente unidas a la superficie de un sólido o líquido con el que el gas entra en contacto a bajas temperaturas.
Sin embargo, habiendo sido pioneros hace más de 30 años, los investigadores están buscando ir más allá de los materiales MOF típicos, ya sea mejorando sus propiedades mecánicas y/o haciéndolos más escalables industrialmente.
«Los MOFs presentan varias limitaciones en cuanto a la flexibilidad mecánica y la formación de películas», dice la Dra. Vo. «Para abordar este problema, los científicos los están combinando ahora con polímeros para crear un nuevo tipo de materiales conocidos como Materiales de Matriz Mixta Metal-Orgánica, o M4s.»
«Como con todos los materiales compuestos, el objetivo de agregar polímeros a los MOFs existentes es lograr propiedades mayores que las que se encuentran en los componentes individuales.»
«Por ejemplo, aunque los MOFs ofrecen una excelente porosidad y elevadas áreas internas, pueden sufrir una estabilidad limitada. Al agregar materiales poliméricos, podemos mejorar esta estabilidad, manteniendo al mismo tiempo el resto de las propiedades».
La Dra. Vo es una investigadora postdoctoral, financiado por el programa Europeo de Acciones Marie Skłodowska-Curie. Trabaja en el grupo de investigación de Descubrimiento de Materiales Computacionales y Basados en Datos de IMDEA Materiales, dirigido por el Dr. Maciej Haranczyk.
Su investigación se lleva a cabo como parte del proyecto M4MID, que tiene como objetivo desarrollar un método computacional de alto rendimiento para crear M4s con las mejores propiedades mecánicas.
Si bien la adición de polímeros a los MOFs existentes puede mejorar su rendimiento, esto se determina en última instancia por cómo interactúan esos componentes individuales a nivel nano.
Mediante el empleo de técnicas de aprendizaje automático, los investigadores podrán predecir las propiedades exactas de estas interfaces dentro de los materiales M4.
«Dentro de M4MID tenemos tres objetivos principales», explica la Dra. Vo. «En primer lugar, desarrollaremos un flujo de trabajo computacional multiescala para predecir las propiedades mecánicas de los M4s desde la escala atómica hasta la microescala y luego verificaremos estas predicciones mediante pruebas experimentales.»
«Después, llevaremos a cabo estos procesos en una simulación de alto rendimiento para generar conjuntos de datos que se utilizarán para cumplir nuestro objetivo final: construir modelos de aprendizaje automático para diseñar computacionalmente M4s con buenas propiedades mecánicas.»
M4MID, que comenzó en junio 2023, es un proyecto de dos años que está previsto que concluya en 2025.
El proyecto “Toward Desirable Metal Organic Framework Mixed Matrix Materials through Machine learning-guided Interface Design” ha recibido financiación del programa de Becas Postdoctorales MSCA de Horizonte 2021 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención 101067497.
