Phuong Thúy Vo, IMDEA MATERIALES

Desde la captura de CO₂ hasta la administración de fármacos, los materiales porosos se están convirtiendo en elementos esenciales en una amplia gama de aplicaciones. Entre ellos se encuentran las estructuras metal-orgánicas, o MOF, un tipo de cristales derivados de la nanotecnología, altamente porosos y formados por la unión de átomos metálicos y moléculas orgánicas.

Una cucharadita de estos cristales podría cubrir la superficie de un campo de fútbol entero. Su estructura ajustable y su vasta superficie interna los hacen especialmente prometedores en áreas como el almacenamiento de gases y la catálisis.

Sin embargo, aún existe una brecha significativa en nuestra comprensión de las interfaces de los MOF dentro de los compuestos, es decir, los límites entre las partes metálicas y orgánicas. Estas interfaces se estudian con herramientas de software que todavía presentan ciertas limitaciones a la hora de caracterizar con precisión y descubrir estos materiales únicos y complejos.

Inspiración en la naturaleza

La utilidad de los materiales porosos puede observarse en nuestro entorno. En la madera, el transporte de agua y nutrientes desde las raíces hasta las hojas de un árbol es posible gracias a sus propiedades porosas, que también proporcionan mayor resistencia y flexibilidad.

La estructura porosa de las esponjas naturales les permite filtrar agua y extraer nutrientes. De manera similar, materiales porosos como los corales crean hábitats que sustentan una gran variedad de vida marina. Mientras tanto, las rocas porosas, como la piedra caliza o la dolomita, facilitan la acumulación y el flujo de fluidos, incluidos el petróleo, el agua e incluso el gas natural, dentro de su formación.

Esta capacidad de acumular y distribuir fluidos dentro de lo que, de otro modo, sería un material sólido, es también una de las propiedades más relevantes de los materiales porosos en el cuerpo humano. El hueso es un ejemplo clave de un material poroso natural. Sin esta característica esencial, el flujo de sangre y nutrientes que mantiene los huesos vivos y saludables no sería posible.

Aerogeles, zeolitas y MOF

Un material se considera poroso cuando contiene pequeños orificios o espacios vacíos en su estructura, conocidos como poros. El tamaño de estos poros puede variar desde nanómetros hasta micrómetros. Algunas de las categorías más prometedoras de materiales porosos son los aerogeles, las zeolitas y nuestros protagonistas, los MOF.

• Aerogeles: son materiales ultraligeros con extraordinarias propiedades de aislamiento térmico. En las naves espaciales protegen el interior del frío cósmico. En la Tierra, aíslan nuestros edificios, manteniéndolos cálidos en invierno y frescos en verano.
• Zeolitas: son minerales aluminosilicatos cristalinos, compuestos químicos fundamentales debido a su abundancia, versatilidad y múltiples aplicaciones en la construcción, el vidrio, la cerámica y diversas industrias tecnológicas. Se utilizan ampliamente como adsorbentes comerciales y catalizadores. Su estructura porosa, formada por una red de átomos de silicio, aluminio y oxígeno, actúa como un tamiz que filtra lo útil de lo indeseable.
• MOF: son materiales cristalinos formados por la unión de iones metálicos o grupos con ligandos orgánicos. Su estructura porosa proporciona grandes superficies para el almacenamiento y la separación de gases, y son valiosos por su capacidad de absorber selectivamente gases en sus poros.

Los MOF tienen un gran potencial para transformar sectores que van desde el almacenamiento de energía hasta la recuperación ambiental. Sin embargo, son complejos y su comportamiento depende de la delicada relación entre los componentes metálicos y orgánicos.

El papel clave de la ingeniería de las fronteras

En el campo de la innovación en materiales, los materiales porosos continúan revolucionando múltiples industrias gracias a su alta área de superficie específica, estructuras de poros ajustables y excepcionales propiedades de adsorción. Estas características los hacen altamente valiosos en aplicaciones como el almacenamiento de gases y energía, así como en la captura de carbono.

Uno de los avances más prometedores en este ámbito es la integración de MOF con polímeros, lo que da lugar a los compuestos MOF-polímero. Los polímeros son moléculas grandes formadas por la unión de unidades simples llamadas monómeros. Los materiales híbridos que resultan de combinar estos con cristales de MOF combinan las inigualables capacidades de adsorción y selectividad de estos últimos con la flexibilidad y procesabilidad de los polímeros.

Un factor crucial que determina el rendimiento de dichos compuestos es la interfaz MOF-polímero. Esta región influye en la estabilidad mecánica, el transporte térmico y la eficiencia general en aplicaciones del mundo real. Pequeñas variaciones en la estructura de la interfaz pueden afectar significativamente propiedades macroscópicas como la resistencia mecánica, la conductividad iónica y la resiliencia térmica.

Optimizando estas interfaces, los investigadores pueden ajustar el comportamiento del material para cumplir con demandas industriales específicas. En los últimos años, el trabajo en este campo ha sido especialmente relevante en la separación de gases.

A la vanguardia de esta investigación sobre compuestos MOF-polímero se encuentra el proyecto M4MID, financiado por las acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA) de la Unión Europea y actualmente en desarrollo en el Instituto IMDEA Materiales.

Para obtener una comprensión más profunda de los fenómenos interfaciales, el equipo de IMDEA Materiales detrás del proyecto ha desarrollado un proceso automatizado para generar estructuras interfaciales virtuales dentro de compuestos MOF-polímero. Estos modelos computacionales permiten a los investigadores explorar interacciones interfaciales, simular el comportamiento vibracional y analizar los mecanismos de transferencia de calor.

Mediante modificaciones en las interfaces, el equipo ha demostrado que incluso pequeños ajustes pueden provocar cambios significativos en las propiedades del material, desde una mayor resistencia mecánica hasta una mejor conductividad térmica.

Estos hallazgos destacan el papel crucial de la ingeniería de interfaces en la optimización de los compuestos MOF-polímero para aplicaciones de alto rendimiento. A medida que avanza la investigación, el equipo de IMDEA Materiales sigue comprometido con el perfeccionamiento de estos compuestos, garantizando su viabilidad a gran escala para el desarrollo de energía limpia, la sostenibilidad ambiental y soluciones tecnológicas avanzadas.

Phuong Thúy Vo, Investigadora Postdoctoral Química Computacional, IMDEA MATERIALES

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.