- Los MOF tienen un récord mundial de área superficial interna de hasta aproximadamente 7,000 m^2 por gramo, con diseños teóricos de hasta 14,600 m^2/g.
- En aproximadamente 20 años, los investigadores han creado cerca de 90,000 estructuras únicas de MOF, con cientos de miles más predichas por la teoría.
- Los MOF son redes cristalinas porosas construidas a partir de nodos metálicos y enlazadores orgánicos, formando una red 3D ajustable que actúa como una esponja molecular.
- CALF-20, un MOF a base de zinc, puede retener aproximadamente una tonelada de CO2 por día por metro cúbico bajo condiciones industriales.
- ZnH-MFU-4l es un MOF revolucionario para la captura de CO2 a alta temperatura que une selectivamente CO2 de gases de combustión calientes a unos 300 °C, capturando más del 90 por ciento del CO2.
- DCF-1, lanzado por Decarbontek a mediados de 2025, es un MOF de bajo costo hecho de óxido de zinc y ácido cítrico, proyectado para costar alrededor de $10 por kilogramo a escala completa.
- Svante está probando un sistema de sorbente MOF CALF-20 en una planta de cemento capaz de capturar aproximadamente 1 tonelada de CO2 por día.
- MOF-303, un MOF de aluminio para la recolección de agua, permitió un recolector portátil en Death Valley en 2023 que recuperó alrededor del 85–90% del agua adsorbida, entregando hasta 285 gramos por kilogramo por día.
- El proyecto EU MOST-H2, lanzado en 2022, utiliza IA para seleccionar MOF para almacenamiento de hidrógeno; para 2025 reportó avances con más de 10,000 estructuras evaluadas y prototipos que cumplen los objetivos del DOE en condiciones criogénicas.
- MIL-101(Cr) puede expandir sus poros de aproximadamente 2.5 nm a 5 nm mediante tratamiento con ácido acético, permitiendo una mayor carga de ibuprofeno y 5-fluorouracilo y una liberación más rápida.
Un cambio de juego en materiales avanzados y sostenibilidad
Imagina un material con tanta superficie interna que una pizca contiene el equivalente a seis campos de fútbol de área news.berkeley.edu. Tales estructuras metal-orgánicas (MOFs) son compuestos porosos y cristalinos formados por nodos metálicos conectados por enlazadores orgánicos, creando redes similares a esponjas a escala molecular. Los científicos promocionan los MOFs como materiales con “posibilidades aparentemente ilimitadas” para construir estructuras personalizadas con propiedades a medida cas.org. En los últimos 20 años, la investigación sobre MOFs se ha disparado: se han creado casi 90,000 estructuras únicas de MOFs (y se predicen cientos de miles más en teoría) cas.org. Este auge está impulsado por la promesa de que los MOFs pueden abordar desafíos críticos en sostenibilidad y tecnología. Desde capturar dióxido de carbono que calienta el clima y almacenar combustible de hidrógeno limpio hasta administrar medicamentos y recolectar agua del aire del desierto, los MOFs están listos para impulsar avances en campos que van desde la energía y el medio ambiente hasta la biomedicina cas.orgcas.org. En este informe, explicamos qué son los MOFs, cómo funcionan y se fabrican, y por qué se consideran revolucionarios. Exploraremos las principales aplicaciones –incluyendo captura de carbono, almacenamiento de hidrógeno, administración de medicamentos, sensores y recolección de agua– destacando avances científicos recientes, implementaciones en el mundo real y opiniones de expertos. Al analizar el panorama global (EE. UU., UE, China y más allá) y los últimos avances, veremos por qué los MOFs son considerados materiales revolucionarios para un futuro más sostenible.
¿Qué son los MOFs? Cristales porosos con superficies récord
Los marcos metal-orgánicos (MOFs) son una clase inusual de materiales construidos como juguetes de ensamblaje molecular. Consisten en iones metálicos o agrupaciones metálicas que actúan como núcleos, enlazados entre sí por moléculas orgánicas (ligandos) que funcionan como puntales. Estos componentes se autoensamblan en una red cristalina abierta, similar a una jaula, formando esencialmente una red porosa 3D mantenida unida por enlaces de coordinación cas.org. El resultado es una esponja cristalina: los MOFs tienen una porosidad y un área superficial extremadamente altas, lo que significa que su interior está lleno de diminutas cavidades y canales a los que pueden acceder otras moléculas. De hecho, los MOFs ostentan el récord mundial de área superficial en un material: algunos ofrecen hasta ~7,000 m^2 por gramo, con diseños teóricos de hasta 14,600 m^2/g cas.org. Para ponerlo en perspectiva, solo una cucharada de un MOF típico puede tener un área interna del tamaño de varios campos de fútbol, proporcionando un espacio abundante para adsorber gases u otras moléculas news.berkeley.edu.
Esta vasta superficie interna y estructura de poros ajustable es lo que hace a los MOFs tan especiales. Al intercambiar los nodos metálicos o los enlazadores orgánicos, los químicos pueden crear diferentes MOFs con tamaños de poro, formas y funcionalidades químicas a medida cas.org. Prácticamente cualquier combinación es posible; uno de los pioneros del campo, el profesor Omar Yaghi (quien sintetizó los primeros MOFs en la década de 1990), ha señalado que se han fabricado decenas de miles de MOFs y los algoritmos predicen “cientos de miles más” cas.org. Esta estrategia de diseño modular “reticular” significa que los científicos pueden esencialmente diseñar materiales a la carta: por ejemplo, se puede diseñar un MOF para que prefiera captar moléculas de CO₂, o para que brille en presencia de una toxina, simplemente eligiendo los bloques de construcción apropiados. El lado negativo de esta diversidad es un desafío: con tantas estructuras posibles, puede ser difícil predecir qué MOF funcionará mejor para una tarea dada cas.org. (Los investigadores están utilizando cada vez más la IA y el aprendizaje automático para examinar bases de datos de MOFs y sugerir los candidatos más prometedores, un punto que retomaremos más adelante cas.org.)
En resumen, un MOF es como una esponja ultrafina o un andamio a nanoescala. Está hecho de piezas inorgánicas y orgánicas unidas en una red repetitiva, lo que da como resultado un material sólido que es en su mayoría espacio vacío. Esos poros vacíos pueden albergar moléculas invitadas. De manera crucial, los MOF suelen permanecer robustos incluso después de que se eliminan sus “huéspedes” de solvente iniciales: la estructura vacía permanece intacta y porosa, lista para adsorber nuevas moléculas y liberarlas bajo las condiciones adecuadas en.wikipedia.org. Esta captación y liberación reversible es clave para aplicaciones que van desde el almacenamiento de gases hasta la administración de medicamentos. Como explica el Dr. Kurtis Carsch, químico de UC Berkeley: “Como resultado de sus estructuras únicas, los MOF tienen una alta densidad de sitios donde se puede capturar y liberar CO₂ bajo las condiciones apropiadas” news.berkeley.edu – o, de igual manera, capturar y liberar otras moléculas. En esencia, los MOF ofrecen una combinación sin precedentes de alta capacidad (debido a su enorme área superficial), capacidad de ajuste (por diseño químico) y reversibilidad, lo que los convierte en una plataforma poderosa en la ciencia de materiales.
¿Cómo se fabrican los MOF y cómo funcionan?
La síntesis de un MOF suele ser más sencilla de lo que su estructura intrincada podría sugerir. Normalmente, los científicos disuelven una fuente metálica (como una sal metálica) y una molécula orgánica enlazadora en un solvente, luego fomentan la formación de cristales mediante mezcla lenta, calor o evaporación. Los iones metálicos y los enlazadores se coordinan y cristalizan espontáneamente en una estructura ordenada: creciendo un cristal de MOF de manera similar a como el caramelo de roca precipita de una solución de azúcar, pero a escala molecular. Muchos MOF se fabrican mediante métodos solvotérmicos (calentando los ingredientes en un recipiente cerrado), aunque técnicas más recientes incluyen la síntesis asistida por microondas, el secado por aspersión e incluso la molienda mecanicoquímica sin solvente. Lo notable es que los MOF a menudo pueden autoensamblarse bajo condiciones relativamente suaves. Por ejemplo, un reciente MOF innovador para captura de carbono llamado DCF-1 se sintetiza simplemente mezclando óxido de zinc con ácido cítrico en agua: un “método seguro, sostenible y pendiente de patente” que produce un MOF de alto rendimiento a bajo costo businesswire.com. Esto ilustra cómo los investigadores están mejorando los métodos de producción para reducir costos y evitar productos químicos agresivos. Los cristales de MOF pueden variar desde tamaños nanométricos hasta milimétricos, y generalmente se procesan en polvos o se forman en gránulos y membranas para su uso práctico.
La forma en que funcionan los MOF se reduce a la adsorción y la selectividad. Sus poros actúan como pequeños casilleros de almacenamiento o trampas para moléculas. Cuando un MOF se expone a un gas o líquido, las moléculas objetivo pueden entrar en los poros y adherirse a las superficies internas (mediante fuerzas de van der Waals, interacciones químicas en sitios específicos, etc.). Debido a que los MOF tienen tanta área interior y, a menudo, grupos químicos que se unen a ciertas moléculas, pueden absorber cantidades asombrosas. Por ejemplo, un MOF (CALF-20, una estructura basada en zinc) puede retener aproximadamente una tonelada de CO₂ por día por metro cúbico de material en condiciones industriales businesswire.com – actuando esencialmente como una esponja gigante para el dióxido de carbono. Sin embargo, la adsorción suele ser reversible: al cambiar las condiciones (calentando el MOF, bajando la presión o purgando con otro gas), las moléculas atrapadas se liberan (desorben) y el MOF se regenera para otro ciclo news.berkeley.edu. Este ciclo de captura y liberación es crucial para aplicaciones como la captura de carbono o el almacenamiento de gases, donde el MOF necesita ser reutilizado muchas veces. En el ejemplo de captura de CO₂, una vez que el MOF está saturado con CO₂, “el CO₂ puede eliminarse bajando su presión parcial – ya sea purgando con un gas diferente o aplicando vacío. El MOF queda entonces listo para ser reutilizado en otro ciclo de adsorción” news.berkeley.edu.
La química interna de cada MOF puede ajustarse para preferir ciertas moléculas sobre otras, lo que los hace altamente selectivos. Algunos MOF tienen sitios metálicos abiertos o grupos funcionales en sus poros que actúan como ganchos para gases específicos. Otros están decorados con moléculas (como aminas o sitios de cobre) que reaccionan con un objetivo (como el CO₂). Esta capacidad de ajuste es una gran ventaja: a diferencia de los materiales porosos tradicionales (por ejemplo, carbón activado o zeolitas) que tienen propiedades fijas, los MOF pueden diseñarse a medida. “Sus propiedades ajustables son el factor clave,” señala un informe de CAS Insights, “la alta área superficial y porosidad combinadas con una química ajustable dan a los MOF la capacidad de adsorber gases y compuestos volátiles, atrayendo un enorme interés en la separación y almacenamiento de gases, particularmente para el CO₂” cas.org. En resumen, los MOF funcionan atrapando selectivamente moléculas en sus poros nanoscópicos – como un tamiz o filtro hecho de moléculas – y luego pueden liberar la carga cuando se activa un estímulo. Este concepto simple es la base de la variedad de usos que discutiremos, desde eliminar CO₂ de los gases de escape, hasta almacenar hidrógeno como combustible de forma más densa, o transportar moléculas de medicamentos en el torrente sanguíneo.
Principales aplicaciones de los MOF
Las singulares capacidades de los MOFs, similares a las de una esponja, los hacen útiles en una sorprendentemente amplia gama de aplicaciones. A continuación exploramos algunos de los usos más impactantes que se están desarrollando hoy en día, junto con avances recientes y ejemplos en cada área.
Captura de carbono y mitigación del cambio climático
Una de las aplicaciones más urgentes para los MOFs es capturar dióxido de carbono de los gases de combustión de plantas de energía o incluso directamente del aire. Reducir las emisiones de CO₂ es fundamental para combatir el cambio climático, y los MOFs están surgiendo como “uno de los materiales más prometedores para la captura de carbono” porque pueden absorber CO₂ con mayor eficiencia y menor coste energético que los métodos convencionales ccarbon.info. La tecnología tradicional de captura de carbono utiliza soluciones líquidas de aminas para fijar el CO₂, pero las aminas son corrosivas, requieren mucha energía para regenerarse y normalmente solo funcionan a temperaturas relativamente bajas (alrededor de 40–60 °C). Sin embargo, muchos gases industriales de escape son mucho más calientes (los gases de escape de plantas de cemento y acero pueden superar los 200–300 °C), lo que hace que la captura de carbono sea difícil y costosa porque los gases deben enfriarse primero news.berkeley.edu. Los MOFs ofrecen un posible avance: pueden diseñarse para atrapar CO₂ incluso en condiciones adversas, y luego liberarlo con un calentamiento o cambios de presión moderados, utilizando mucha menos energía en general que los depuradores de aminas ccarbon.info.
A finales de 2024, químicos de UC Berkeley informaron sobre un avance en MOF que puede capturar CO₂ de gases de combustión calientes sin enfriamiento previo. El material, conocido como ZnH-MFU-4l, contiene sitios de hidruro de zinc dentro de sus poros que se unen fuertemente al CO₂ a altas temperaturas. “Hemos descubierto que un MOF puede capturar dióxido de carbono a temperaturas sin precedentes – temperaturas relevantes para muchos procesos emisores de CO₂,” dijo el Dr. Kurtis Carsch, co-primer autor del estudio. “Esto era algo que antes no se consideraba posible para un material poroso.” news.berkeley.edu Bajo condiciones simuladas de escape, este MOF fue capaz de capturar selectivamente CO₂ a ~300 °C (típico de gases de combustión de cemento/acero) y capturar más del 90% del CO₂ en la corriente (“captura profunda de carbono”), rivalizando con el desempeño de las aminas líquidas news.berkeley.edu. Operar a temperaturas tan altas evita la necesidad de gastar energía y agua para enfriar las emisiones news.berkeley.edu, lo que potencialmente hace viable la captura de carbono para industrias “difíciles de descarbonizar” como el acero y el cemento. “Debido a que la entropía favorece que moléculas como el CO₂ permanezcan en fase gaseosa cada vez más a medida que aumenta la temperatura, generalmente se pensaba que era imposible capturar tales moléculas con un sólido poroso a temperaturas superiores a 200 °C,” señaló el profesor Jeffrey Long, quien dirigió la investigación. “Este trabajo demuestra que con la funcionalidad adecuada… la captura de CO₂ de alta capacidad puede lograrse efectivamente a 300 °C.” news.berkeley.edu El descubrimiento abre una nueva vía de diseño (usando sitios de hidruro metálico en MOFs) para materiales de captura de carbono de próxima generación news.berkeley.edu.Los MOF también están destacando en roles más convencionales de captura de CO₂. El interés de startups y empresas ha aumentado considerablemente: ExxonMobil ha registrado patentes sobre tecnologías de MOF para la captura de carbono cas.org, y los investigadores de KAUST en Arabia Saudita han patentado MOF para capturar CO₂ y separar gases cas.org. Numerosas startups están compitiendo para comercializar filtros de CO₂ basados en MOF. Por ejemplo, Nuada (una startup con sede en la UE) está explorando sistemas de MOF para ayudar a los fabricantes de cemento a atrapar CO₂ de los gases de combustión cas.org. Otra empresa, Mosaic Materials, desarrolló un MOF funcionalizado con aminas para la captura de CO₂ tan prometedor que fue adquirido por la empresa de tecnología energética Baker Hughes en 2022 para su escalado news.berkeley.edu. El MOF de Mosaic está siendo probado en proyectos piloto como alternativa a las aminas líquidas, e incluso para la captura directa de CO₂ del aire news.berkeley.edu.
Justo a mediados de 2025, Decarbontek, Inc. anunció que está produciendo comercialmente un adsorbente MOF para captura de carbono. La empresa lanzó DCF-1 (De-Carbon Framework-1), llamándolo “un MOF innovador, de bajo costo y alto rendimiento diseñado para la captura de carbono a escala”, ahora disponible por kilogramo ccarbon.info. “Con el lanzamiento de DCF-1, estamos estableciendo un nuevo estándar para los materiales de captura de carbono,” dijo el Dr. Yong Ding, CEO de Decarbontek. “Es rentable, fácil de fabricar y altamente eficiente, lo que hace que la captura de carbono sea accesible para todas las industrias.” businesswire.com DCF-1 puede fabricarse a bajo costo (usando óxido de zinc común y ácido cítrico) y apunta a costar solo unos $10 por kg a escala completa, “comparable a los tamices moleculares comunes”, según Ding businesswire.com. Esto es significativo porque los MOF han sido considerados durante mucho tiempo demasiado caros para uso a gran escala; un MOF de bajo costo y fácil fabricación podría eliminar una de las principales barreras para su adopción ccarbon.info. Según se informa, el material combina alta captación de CO₂ con un proceso de producción no tóxico y a base de agua, ideal para adaptar a fábricas o incluso capturar CO₂ del aire businesswire.com. El producto de Decarbontek y otros similares subrayan cómo la tecnología MOF está pasando del laboratorio al mercado en el ámbito de la captura de carbono.
Quizás el signo más tangible de progreso se encuentra en los proyectos piloto: Svante, una empresa canadiense, está utilizando un sorbente MOF (CALF-20, fabricado por BASF) en un sistema de demostración que captura aproximadamente 1 tonelada de CO₂ por día de los gases de combustión de una planta de cemento businesswire.com. Esta prueba en el mundo real demuestra que los MOF pueden manejar corrientes de gases industriales y realmente funcionar en condiciones de campo. Estos desarrollos sugieren que los MOF pronto podrían desempeñar un papel clave en los esfuerzos globales de Captura, Utilización y Almacenamiento de Carbono (CCUS), ayudando a las industrias a reducir las emisiones de CO₂. Dado que la captura de carbono es vital para mitigar el cambio climático (especialmente para los sectores que no pueden electrificarse fácilmente), los MOF son ampliamente considerados como un avance de “material milagroso” para la descarbonización news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Al ofrecer mayor eficiencia y menores penalizaciones energéticas, la captura de carbono basada en MOF podría permitir una adopción más amplia de CCUS, un puente importante hacia un futuro de cero emisiones netas mientras la energía renovable se expande. En resumen, los MOF proporcionan una nueva y poderosa caja de herramientas para controlar el CO₂, desde las chimeneas de las fábricas hasta el aire libre, por lo que esta área de aplicación sigue siendo el foco más candente en la investigación y comercialización de MOF.Almacenamiento de hidrógeno y energía limpia
Si los MOF pueden ayudar a eliminar el carbono de nuestros sistemas energéticos actuales, también están preparados para habilitar portadores de energía limpia como el hidrógeno en el futuro. El hidrógeno (H₂) es un combustible prometedor sin carbono (su combustión produce solo agua), pero almacenarlo de manera eficiente es un gran desafío: el H₂ es un gas de muy baja densidad, y comprimirlo o licuarlo requiere mucha energía y tanques pesados. Los MOF ofrecen una forma de almacenar hidrógeno en una forma compacta y segura mediante adsorción. Esencialmente, el gas hidrógeno puede cargarse en los poros de un MOF a alta densidad (especialmente a bajas temperaturas), como huevos en una huevera, y luego liberarse cuando sea necesario. El Departamento de Energía de EE. UU. y otros han establecido objetivos para los materiales de almacenamiento de hidrógeno (por porcentaje de peso y volumen de H₂ almacenado), y ciertos MOF se han acercado o incluso superado estos objetivos a temperaturas criogénicas.
En Europa, se está llevando a cabo un esfuerzo concertado para aprovechar los MOFs para el almacenamiento de hidrógeno. El proyecto MOST-H2 financiado por la UE (lanzado en 2022) está desarrollando sistemas de almacenamiento de hidrógeno crioadsorptivo utilizando MOFs avanzados cordis.europa.eu. En la crioadsorción, el gas hidrógeno se enfría (normalmente a temperaturas cercanas al nitrógeno líquido, ~77 K) y se adsorbe en un material poroso, logrando una alta densidad sin presiones extremas. El “arma secreta del proyecto es una clase especial de material cristalino poroso llamado MOFs,” que están moldeando en adsorbentes monolíticos de MOF con una combinación óptima de capacidad volumétrica y gravimétrica cordis.europa.eu. Para 2025, los investigadores de MOST-H2 informaron de “avances significativos” – combinaron la selección impulsada por IA con experimentos para identificar nuevos compuestos de MOF que superan los objetivos ampliamente aceptados tanto para la capacidad de almacenamiento de hidrógeno gravimétrica como volumétrica cordis.europa.eu. Estos avances se han protegido mediante solicitudes de patentes cordis.europa.eu, lo que resalta su novedad. En la práctica, los prototipos de MOF del equipo pueden almacenar hidrógeno de forma densa en condiciones criogénicas, en materiales que son fáciles y seguros de manejar (sin presiones extremadamente altas) y tienen una “huella ambiental muy pequeña” cordis.europa.eu. El objetivo final es integrar estos MOFs en una solución completa de almacenamiento de hidrógeno “del laboratorio al tanque” para aplicaciones como vehículos impulsados por hidrógeno (el proyecto está explorando estudios de caso para trenes impulsados por hidrógeno en Austria e Italia) cordis.europa.eu.
Un aspecto notable de este esfuerzo es el uso de aprendizaje automático para acelerar el descubrimiento. El proyecto MOST-H2 desarrolló una herramienta de IA para predecir qué estructuras de MOF serían óptimas para la captación de hidrógeno, creando una “base de datos robusta de materiales de alto rendimiento” y demostrando cómo los métodos computacionales pueden transformar el desarrollo de MOF cordis.europa.eu. Al examinar virtualmente más de 10,000 estructuras de MOF y luego probar los mejores candidatos en el laboratorio, el equipo pudo identificar varios materiales destacados que patentaron de inmediato cordis.europa.eu. Este enfoque reduce enormemente el ensayo y error que normalmente se necesita en I+D de materiales. Como resultado, los MOF del proyecto están en camino de cumplir o superar los estrictos objetivos de almacenamiento requeridos para tanques de combustible prácticos, todo mientras se mantienen rentables y estables durante muchos ciclos cordis.europa.eu. El diseño del tanque basado en MOF también se está optimizando con modelado avanzado de transferencia de calor y masa y análisis de ciclo de vida, para asegurar que pueda escalarse e integrarse en vehículos reales cordis.europa.eu.
Más allá de este proyecto, otros investigadores han demostrado MOF capaces de una notable captación de hidrógeno. Por ejemplo, MOF-74 (una estructura bien conocida) puede absorber más hidrógeno que cualquier tanque sin presurizar a 77 K, lo que apunta al potencial de los MOF para eliminar el cuello de botella en el almacenamiento de hidrógeno innovations-report.com. La estrategia general es operar cerca de temperaturas criogénicas, lo que podría parecer intensivo en energía, pero técnicas como el aislamiento inteligente o el uso de refrigeración “gratuita” del efluente de hidrógeno líquido pueden hacerlo viable. El beneficio sería tanques de hidrógeno ligeros y de alta capacidad para autos, autobuses o aviones con pila de combustible que no requieren compresión a 700 bares ni recipientes extremadamente pesados. Tales tanques podrían ser “baterías” de hidrógeno en estado sólido, donde los gránulos de MOF almacenan hidrógeno de forma segura a presiones moderadas. Los investigadores también están explorando MOF para almacenamiento de hidrógeno a temperatura ambiente, aunque ningún material cumple aún con todos los objetivos del DOE en condiciones ambientales.
En resumen, los MOFs están a la vanguardia de la solución al dilema del almacenamiento de hidrógeno. Actúan como nano-esponjas que empaquetan densamente las moléculas de hidrógeno por adsorción, permitiendo que más hidrógeno quepa en un determinado volumen a una presión dada. Los MOFs actuales, combinados con enfriamiento criogénico, han mostrado capacidades récord – superando lo que el hidrógeno líquido puede lograr por volumen en algunos casos – lo que podría permitir que los vehículos impulsados por hidrógeno recorran distancias mayores con un tanque y se recarguen más rápido. Con el interés global en el hidrógeno como portador de energía limpia (para transporte, almacenamiento en red e industria), avances como los tanques basados en MOFs son fundamentales. El hecho de que se estén presentando patentes y financiando proyectos plurianuales en la UE y otros lugares indica confianza en que los MOFs desempeñarán un papel clave en la economía del hidrógeno. Como señaló un informe de la UE, estos materiales innovadores prometen “soluciones de almacenamiento de hidrógeno baratas, eficientes y respetuosas con el medio ambiente” para los objetivos climáticos de Europa cordis.europa.eu – una afirmación que resuena a nivel mundial a medida que las naciones invierten en infraestructura de H₂.
Liberación de Fármacos y Aplicaciones Biomédicas
Los MOFs no son solo para energía y medio ambiente: también están causando impacto en la biomedicina como novedosos sistemas de liberación de fármacos y agentes de imagen. En el contexto farmacéutico, los MOFs pueden actuar como transportadores a nanoescala para moléculas terapéuticas. La idea es que un fármaco (que puede ser una molécula pequeña, una proteína o incluso un ácido nucleico) puede cargarse en los poros del MOF y luego ser transportado por el cuerpo, protegido por la jaula del MOF. La estructura porosa a veces puede proteger el fármaco de la degradación prematura, dirigir su liberación a una ubicación específica o permitir una liberación lenta y controlada a lo largo del tiempo. Los MOFs incluso pueden ser diseñados para responder a estímulos (como pH o luz) y así activar la liberación del fármaco bajo demanda jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Esta es un área emergente de investigación en nanomedicina.
Una ventaja de los MOF es su alta capacidad de carga: debido a su enorme área superficial, pueden transportar una gran cantidad de fármaco en relación con su peso. Además, muchos MOF pueden fabricarse a partir de componentes biocompatibles (por ejemplo, nodos de zinc o hierro con ácidos orgánicos comestibles), lo que significa que pueden degradarse en subproductos no tóxicos en el cuerpo cas.org. De hecho, algunos MOF son biocompatibles y biodegradables, lo que los hace atractivos para su uso en organismos vivos cas.org. Los investigadores han acuñado el término «nano-MOF» para partículas de MOF muy pequeñas (típicamente de 50 a 200 nanómetros) diseñadas para inyección en el torrente sanguíneo o entrega celular axial.acs.org. Varios de estos nano-MOF han avanzado a ensayos clínicos para terapia contra el cáncer axial.acs.org; por ejemplo, como portadores de fármacos de quimioterapia o para mejorar el tratamiento con radiación. Esto demuestra el verdadero potencial de los MOF como plataforma en la medicina.
Un estudio reciente en 2024 demostró cómo un simple ajuste químico puede mejorar el rendimiento de un MOF en la administración de fármacos. Científicos de la Universidad de Miami tomaron un MOF bien conocido llamado MIL-101(Cr) (una estructura basada en cromo con grandes poros) y lo “inflaron” efectivamente mediante un paso extra de síntesis acs.org. Trataron los cristales del MOF con un poco de ácido acético (similar al vinagre) para expandir el tamaño de los poros de aproximadamente 2.5 nm a 5 nm, aumentando el área superficial interna acs.org. Estas partículas de MOF con “poros expandidos” se cargaron luego con dos fármacos modelo: ibuprofeno (un antiinflamatorio) y 5-fluorouracilo (un fármaco de quimioterapia), para probar la capacidad y la cinética de liberación. Los resultados fueron sorprendentes: “Los MOFs inflados retuvieron más ibuprofeno o fármaco de quimioterapia en comparación con la versión original y mostraron un mejor desempeño como potencial vehículo de administración de fármacos.” acs.org Debido a que los poros eran más grandes, más moléculas de fármaco podían caber dentro, y de hecho el MOF modificado absorbió una mayor cantidad de ambos fármacos que el MIL-101 sin modificar acs.org. Además, en experimentos de liberación, el MOF de poros expandidos liberó los fármacos sustancialmente más rápido que el original, debido a que las aberturas más grandes actúan como “puertas” anchas para que las moléculas salgan acs.org. Una liberación más rápida podría ser beneficiosa para alcanzar niveles terapéuticos rápidamente, mientras que una liberación lenta y controlada podría lograrse mediante otras modificaciones. Los investigadores ven este simple método de lavado ácido como una forma de ajustar los perfiles de liberación de los MOF para diferentes necesidades acs.org. Como señalan, “cambios simples como estos podrían maximizar la efectividad de los MOF en futuras aplicaciones de administración de fármacos”, y el trabajo en curso está explorando cómo lograr una liberación lenta y sostenida durante periodos específicos mediante la adaptación de las estructuras de los poros acs.org.Este es solo un ejemplo de muchos. Otros estudios han demostrado que los MOF pueden transportar combinaciones de fármacos, proteger biomoléculas delicadas como proteínas o ARN, e incluso facilitar la administración dirigida a tumores (al unir ligandos de direccionamiento al MOF). Debido a que se pueden combinar diferentes centros metálicos, los investigadores han descubierto que la elección del metal puede afectar las tasas de liberación; por ejemplo, un estudio encontró que los MOF hechos con magnesio liberaban un fármaco de prueba más rápido que aquellos hechos con circonio, lo que sugiere que los nodos metálicos más solubles conducen a una degradación del marco y liberación del fármaco más rápida axial.acs.org. Estos conocimientos están guiando el diseño de MOF para la liberación de fármacos “a demanda” y teranóstica (terapia + diagnóstico). Cabe destacar que los MOF también pueden servir como agentes de contraste o sondas de imagen; algunos incorporan lantánidos luminiscentes o isótopos radiactivos para rastreo, y otros mejoran las señales de RMN. Las propiedades luminiscentes de ciertos MOF incluso han permitido biosensores que pueden detectar biomarcadores o toxinas ambientales mediante un cambio de fluorescencia cas.org – difuminando la línea entre la administración de fármacos y la detección.
De manera crucial, los primeros estudios de seguridad indican que los MOF formulados adecuadamente pueden ser no tóxicos y biodegradables en el cuerpo cas.org. Por ejemplo, los MOF hechos de hierro o zinc con enlazadores de grado alimenticio pueden descomponerse en nutrientes o ser excretados. Esta biocompatibilidad, combinada con una alta capacidad de carga y versatilidad, ha llevado a los expertos a considerar los MOF como una “nueva clase prometedora de portadores inteligentes de fármacos” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Aunque ningún fármaco basado en MOF ha llegado aún al mercado, los ensayos clínicos en curso sugieren que es solo cuestión de tiempo. En un futuro cercano, las nanopartículas de MOF podrían administrar quimioterapia más directamente a las células cancerosas, reduciendo los efectos secundarios, o actuar como “nanoantídotos” que absorben sustancias tóxicas en el cuerpo. El impulso de la investigación es fuerte: una revisión contó docenas de sistemas de administración de fármacos basados en MOF para cáncer, VIH, diabetes y más en investigación pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Si estos esfuerzos tienen éxito, los MOF podrían inaugurar una nueva era de medicina de precisión, donde el tratamiento no solo se trata de la molécula del fármaco, sino también del vehículo inteligente que la transporta.
Sensores y Detección
Gracias a su química ajustable y a su frecuente luminiscencia inherente, los MOFs han surgido como componentes poderosos en sensores químicos. Un pequeño cambio en la estructura de un MOF – por ejemplo, la unión de una molécula huésped o la transferencia de un electrón – puede traducirse en una señal óptica o eléctrica detectable. Esto hace que los MOFs sean excelentes para detectar compuestos traza en el medio ambiente, alimentos o incluso en el cuerpo humano. Los investigadores han creado sensores basados en MOFs para una amplia variedad de objetivos: iones de metales pesados, explosivos (como vapores de TNT), gases industriales peligrosos y biomarcadores de enfermedades, por nombrar algunos sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Un enfoque popular son los MOFs luminiscentes (a menudo llamados LMOFs). Estos son MOFs que ya sea que fluorescen o fosforescen de forma natural, o que están dopados con moléculas/iones metálicos fluorescentes. Cuando un analito objetivo entra en los poros del MOF, puede causar que la luminiscencia cambie – tal vez apagándola, aumentándola o cambiando su color. Por ejemplo, ciertos MOFs que contienen metales de lantánidos emitirán una señal brillante que puede ser apagada selectivamente por químicos específicos, permitiendo la detección de esos químicos a concentraciones muy bajas pubs.rsc.org. Hay MOFs que actúan como sensores de encendido para iones metálicos como el aluminio (que brillan solo cuando el ion se une) pubs.acs.org, o como sensores que cambian de color para pH u oxígeno. Debido a que los MOFs tienen una estructura modular, los diseñadores de sensores pueden incorporar sitios de reconocimiento directamente en la estructura. Imagina un MOF que tiene bolsillos de unión perfectamente dimensionados para una molécula contaminante – cuando el contaminante es capturado, desencadena una transferencia de electrones o de energía que hace que la fluorescencia del MOF se atenúe o cambie de color. Tal especificidad es muy valorada en la detección.
Una ventaja clave de los sensores MOF es que pueden hacerse altamente sensibles y selectivos sin perder estabilidad. Los MOFs a menudo pueden operar en diferentes entornos (algunos son estables en agua, para detección acuática). Los investigadores incluso han desarrollado sensores basados en MOFs que pueden detectar biomarcadores en fluidos complejos como orina o sangre, filtrando y capturando el objetivo en un solo paso sciencedirect.com. Otra vía emocionante son los sensores electroquímicos de MOF: los MOFs conductores o los compuestos pueden generar una respuesta de corriente eléctrica cuando se adsorbe un gas o vapor, actuando como una nueva clase de “nariz electrónica” orcasia.org.
Es importante destacar que muchos MOFs están hechos de componentes relativamente benignos, por lo que su uso en sensores de consumo o biomédicos es factible. Un analista de CAS señaló que los MOFs pueden ser excelentes como biosensores porque algunos son “de baja toxicidad y biodegradables”, especialmente aquellos utilizados en la detección basada en luminiscencia cas.org. Esto significa que una sonda recubierta con MOF podría algún día usarse in vivo (dentro del cuerpo) para monitorear condiciones, o que partículas de MOF podrían ser parte de una prueba diagnóstica que se disuelve de manera segura después de su uso. Ya se han probado sensores de MOF para cosas como metales pesados tóxicos en el agua (con el MOF emitiendo fluorescencia en presencia de mercurio o plomo) pubs.acs.org, contaminantes alimentarios (pesticidas o antibióticos que hacen que la emisión del MOF cambie) sciencedirect.com, e incluso como sensores portátiles para el análisis del aliento.
Un ejemplo en desarrollo es una matriz de sensores basada en MOF para la detección de explosivos y agentes de guerra química. Al tener múltiples MOFs, cada uno ajustado para responder a diferentes formas químicas, una matriz puede producir una huella única para una sustancia dada (similar a cómo nuestra nariz diferencia los olores). Otro ejemplo: los investigadores crearon un sensor MOF luminiscente que puede señalar rápidamente la comida en mal estado detectando vapores de aminas provenientes de la degradación de la carne, proporcionando un cambio de color como indicador sciencedirect.com. Estas soluciones creativas muestran cómo los MOFs pueden contribuir a la salud y seguridad públicas.
En resumen, los MOFs aportan alta sensibilidad, capacidad de personalización y estabilidad a la tecnología de sensores. Pueden detectar moléculas a niveles de partes por billón en algunos casos, y su respuesta puede diseñarse para ser fácilmente leída (un cambio de color visible al ojo, o un cambio en la corriente/voltaje para una lectura electrónica). A medida que los estándares de monitoreo ambiental y seguridad alimentaria se vuelven más estrictos, los sensores MOF podrían encontrar un uso generalizado debido a su combinación de precisión y practicidad. El hecho de que los MOFs puedan fabricarse en películas delgadas o polvos que recubren dispositivos significa que la integración en hardware de sensores es bastante factible. Empresas y laboratorios de investigación en todo el mundo están patentando activamente diseños de sensores MOF cas.orgcas.org, lo que indica que pronto podríamos ver productos comerciales de sensores que aprovechan la tecnología MOF: desde sensores inteligentes de cocina que detectan el deterioro, hasta detectores portátiles para la calidad del aire y amenazas de seguridad. Esta es un área vibrante donde la química y la ingeniería se encuentran, y los MOFs están a la vanguardia para hacer que nuestro mundo sea más detectable y medible en detalle fino.
Tecnologías de cosecha de agua y agua limpia
Quizás una de las aplicaciones de los MOF que suena más futurista – aunque ya se ha demostrado en la vida real – es extraer agua potable del aire. La cosecha de agua atmosférica es una tecnología que busca extraer la humedad del aire (incluso en climas desérticos áridos) para proporcionar agua fresca. Los deshumidificadores tradicionales o las redes de niebla requieren aire relativamente húmedo o mucha energía. Pero los MOF han demostrado la capacidad de capturar agua de aire extremadamente seco (hasta un 10–20% de humedad relativa) y luego liberarla con un aporte mínimo de energía, lo que los hace ideales para generadores de agua fuera de la red en regiones afectadas por la sequía.
El concepto fue desarrollado por el profesor Omar Yaghi (el inventor de los MOF) y sus colegas. En 2017, informaron por primera vez de un MOF (MOF-801) que podía cosechar agua del aire del desierto usando solo la luz solar como energía. Avanzando hasta 2023, la tecnología ha dado un gran salto. Investigadores de UC Berkeley presentaron un dispositivo portátil de recolección de agua usando MOF que fue probado en el Valle de la Muerte – uno de los lugares más secos y calurosos de la Tierra. El dispositivo, de aproximadamente el tamaño de una mochila pequeña y alimentado completamente por la luz solar ambiental, funcionaba en ciclos para capturar agua por la noche y liberarla como líquido durante el día. “Estas pruebas demostraron que el dispositivo podría proporcionar agua limpia en cualquier lugar,” informó el equipo, calificándolo como una solución urgente ya que “el cambio climático agrava las condiciones de sequía.” cdss.berkeley.edu El recolector basado en MOF fue capaz de extraer humedad del aire con tan solo un 10% de humedad y producir hasta 285 gramos de agua por kilogramo de MOF por día en el campo cdss.berkeley.edu. (~285 g es aproximadamente una taza de agua; las pruebas de laboratorio en condiciones ideales producen aún más.) De manera impresionante, lo hizo usando ninguna fuente de energía externa aparte de la luz solar, lo que significa cero emisiones de gases de efecto invernadero o necesidad de electricidad cdss.berkeley.edu. Esto es posible porque el MOF primero adsorbe vapor de agua del aire fresco nocturno; luego, el sol diurno calienta el MOF, haciendo que libere el agua como vapor, que se condensa en líquido en un colector. El MOF puede operar durante muchos ciclos sin pérdida de rendimiento y puede regenerarse simplemente secándolo, lo que lo convierte en una esponja de agua robusta para uso a largo plazo cdss.berkeley.edu.
El MOF utilizado en el dispositivo más reciente es una estructura basada en aluminio (llamada MOF-303) que tiene una fuerte afinidad por el agua pero también la libera a temperaturas moderadas (~80 °C). Este MOF fue elegido por su rendimiento excepcional: puede captar agua incluso en condiciones extremadamente áridas y es estable durante miles de ciclos businesswire.com. De hecho, el MOF-303 fue probado con éxito en el Valle de la Muerte, validando su uso práctico en entornos extremos businesswire.com. Durante las pruebas, el dispositivo logró recuperar aproximadamente el 85–90% del agua adsorbida en cada ciclo cdss.berkeley.edu, lo que significa que se perdió muy poca de la humedad capturada. El Dr. Yaghi, quien lideró el estudio publicado en Nature Water (julio de 2023), destacó la importancia: “Casi un tercio de la población mundial vive en regiones con estrés hídrico. La ONU proyecta que para 2050, casi 5 mil millones de personas experimentarán estrés hídrico… Esto es muy relevante para aprovechar una nueva fuente de agua.” cdss.berkeley.edu Al aprovechar el enorme reservorio de agua en la atmósfera (incluso los desiertos tienen algo de humedad en el aire), los dispositivos MOF ofrecen una nueva fuente de agua tentadora, descentralizada y sostenible. A diferencia de las grandes plantas de desalinización (que necesitan electricidad y agua de mar), un recolector MOF puede ser un dispositivo personal o a escala de aldea que funciona en cualquier lugar donde haya aire y luz solar.
Los esfuerzos comerciales ya están en marcha para escalar los recolectores de agua basados en MOF. Varias startups, a menudo en colaboración con universidades, están impulsando el avance de la tecnología. Según un informe de mercado reciente, empresas como Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule y Transaera están aprovechando las superiores propiedades de adsorción de agua de los MOF para construir sistemas de refrigeración y agua de próxima generación businesswire.com. Se informa que estos sistemas pueden generar hasta 0,7 litros de agua por kilogramo de MOF al día incluso en condiciones áridas businesswire.com – aproximadamente el doble del rendimiento de los prototipos iniciales – gracias a materiales y diseños mejorados. Transaera, por ejemplo, está incorporando MOF en aires acondicionados ultra eficientes que no solo enfrían el aire, sino que también recolectan agua como beneficio adicional (Transaera fue finalista en el Global Cooling Prize). Otro esfuerzo de AQUAml (asociado con el MIT) utiliza MOF para botellas de agua personales que se rellenan con la humedad del aire. El hecho de que los MOF puedan funcionar a baja humedad también significa que pueden usarse para deshumidificación pasiva en sistemas HVAC, haciendo la refrigeración más eficiente al secar el aire sin serpentines de condensación cas.org.
El recolector de agua basado en MOF es un ejemplo destacado de cómo estos materiales pueden abordar necesidades humanitarias y adaptación al clima. En áreas con fuentes de agua contaminadas, los dispositivos con MOF podrían proporcionar agua potable segura con una infraestructura mínima. También se pueden escalar de manera modular: se podrían desplegar cientos de unidades de MOF para apoyar a una comunidad, o una sola unidad para una familia. Los investigadores incluso imaginan botellas de agua que se rellenan solas para excursionistas y generadores de agua para tropas en el campo, todo impulsado por MOF y energía solar. Si bien el costo y la escalabilidad de la producción son los próximos desafíos, el progreso hasta ahora es sumamente prometedor. Como bromeó un artículo, los MOF que permiten dispositivos de agua-del-aire hacen que parezca “química al borde de la magia”, convirtiendo algo tan insustancial como el aire en uno de los recursos más esenciales para la vida. Con el cambio climático haciendo que las sequías sean más frecuentes, tales tecnologías podrían ser un cambio radical para la seguridad hídrica y una inspiradora aplicación de materiales avanzados para el bien social.
Otros usos emergentes (catálisis, baterías y más)
Más allá de las aplicaciones principales mencionadas anteriormente, los MOFs están demostrando su versatilidad en muchos otros campos. Su alta área superficial, capacidad de ajuste y la posibilidad de incorporar metales activos o grupos funcionales los hacen ideales para la catálisis – acelerando reacciones químicas. Los MOFs pueden servir como catalizadores en sí mismos o como precursores de materiales catalíticos. Por ejemplo, los MOFs con sitios metálicos abiertos se han utilizado para catalizar la conversión de CO₂ en combustibles, y los materiales derivados de MOFs (como estructuras de carbono que retienen el metal de un MOF) han mostrado un excelente desempeño en electrocatalisis (por ejemplo, para la reducción de oxígeno en pilas de combustible) cas.org. Un estudio encontró que los nanotubos de carbono dopados con nitrógeno derivados de un MOF tenían “mayor actividad y estabilidad electrocatalítica” para la electrólisis del agua en comparación con los catalizadores estándar cas.org. La capacidad de diseñar la estructura atómica de un catalizador mediante MOFs (a veces llamado “nano-moldeo”) es muy atractiva en la química verde y los procesos industriales.Los MOFs también están siendo explorados en dispositivos de almacenamiento de energía. Los investigadores están probando MOFs como materiales de electrodo en baterías de ion-litio, donde la estructura porosa puede alojar iones de litio y potencialmente mejorar la capacidad o la velocidad de carga cas.org. Algunos MOFs (o sus derivados) han sido investigados como materiales para supercondensadores para almacenamiento rápido de energía cas.org. Aunque la mayoría de los MOFs son aislantes, ha surgido una nueva subclase de MOFs conductores, que pueden transportar electrones y podrían usarse en electrónica o sensores. Incluso existen MOFs con propiedades magnéticas o ferroeléctricas intrínsecas que están siendo estudiados para dispositivos funcionales avanzados.
Otra área que está viendo innovación con MOFs es la separación y purificación de gases en la industria química. Ya mencionamos la captura de carbono, pero los MOFs también pueden abordar otras separaciones difíciles – por ejemplo, aislar propeno de propano (un paso crítico en la fabricación de plásticos) o eliminar impurezas del gas natural. Empresas como UniSieve han desarrollado membranas basadas en MOFs que actúan como tamices moleculares, logrando separaciones energéticamente eficientes. En un caso, una membrana de MOF pudo separar propeno con una pureza del 99,5% de propano businesswire.com, ofreciendo una posible alternativa de bajo consumo energético a la destilación (que normalmente consume mucha energía para este tipo de separaciones). De manera similar, se están explorando filtros de MOF para la reciclaje de refrigerantes, la purificación de solventes industriales, e incluso la limpieza de desechos nucleares (atrapando yodo o xenón radiactivo).
En el campo de la electrónica y los sensores, los investigadores han creado películas delgadas basadas en MOF que son selectivas para ciertos gases, con el potencial de crear nuevos tipos de sensores de gases o incluso membranas para pilas de combustible. La remediación ambiental es otro nicho: los MOF pueden capturar contaminantes como PFAS (“químicos eternos”) del agua debido a su adsorción ajustable, y algunos MOF fotocatalíticos pueden descomponer contaminantes orgánicos bajo la luz.
Finalmente, los MOF tienen algunos usos potenciales curiosos pero intrigantes: ¿qué tal telas de MOF que absorben olores o agentes químicos (para ropa protectora)? ¿O recubrimientos de MOF en refrigeradores para absorber etileno y mantener los alimentos frescos por más tiempo? Todas estas ideas están siendo probadas. En resumen, los MOF representan un material plataforma: así como los polímeros o el silicio encontraron innumerables usos, los MOF son una navaja suiza en el mundo de los materiales. Como lo expresó un análisis de mercado, “Las propiedades excepcionales de los MOF –incluyendo áreas superficiales récord, poros ajustables y química personalizable– están permitiendo soluciones a algunos de los desafíos más apremiantes de la sociedad.” businesswire.com Desde aire y agua limpios hasta energía limpia y salud, los MOF tienen su huella en una amplia gama de innovaciones.
Panorama global: investigación, patentes y comercialización en todo el mundo
La emoción en torno a los MOF es verdaderamente global. Tras los avances iniciales en EE. UU. (el trabajo del profesor Yaghi en UC Berkeley y UCLA) y Japón (los descubrimientos independientes de MOF del profesor Susumu Kitagawa en Kioto), la investigación se expandió rápidamente por Norteamérica, Europa, Asia y más allá. Estados Unidos sigue siendo una potencia en innovación de MOF, con universidades líderes (Berkeley, MIT, Northwestern, etc.), laboratorios nacionales y empresas que impulsan las fronteras del conocimiento. Varias startups estadounidenses, a menudo surgidas de laboratorios académicos, están comercializando MOF: NuMat Technologies (Illinois) se centra en el almacenamiento de gases e incluso ha vendido cilindros de gas equipados con MOF (el ION-X) que almacenan gases tóxicos para la industria de semiconductores de manera más segura, a presión subatmosférica businesswire.com. NuMat también informa una capacidad de producción de ~300 toneladas/año de MOF en sus instalaciones businesswire.com. Mosaic Materials en California (mencionada anteriormente para la captura de CO₂) y Transaera (Massachusetts, para refrigeración) son otros emprendimientos destacados de EE. UU. El gigante industrial BASF en Alemania fue uno de los primeros en invertir fuertemente en MOF; aumentó la producción de MOF en la década de 2010 (produciendo un MOF a base de cobre en cantidades de toneladas) y ahora tiene una capacidad anual de varios cientos de toneladas en Ludwigshafen businesswire.com. El MOF de BASF (vendido bajo el nombre Basolite) incluso se utiliza en algunos productos comerciales, como vidrio aislante de alta eficiencia energética y filtros químicos. Europa cuenta con una sólida red académica sobre MOF (por ejemplo, la UE organiza conferencias como EuroMOF), y la Unión Europea ha financiado proyectos como MOST-H2 (almacenamiento de hidrógeno) y AMADEUS (almacenamiento de amoníaco con MOF) para acelerar la investigación aplicada.
China ha surgido como un prolífico contribuyente a la ciencia de los MOF en la última década. De hecho, según las métricas de publicaciones, los investigadores chinos representan una gran parte de los nuevos artículos y patentes sobre MOF, en áreas que van desde la captura de carbono hasta la administración de fármacos. Un estudio bibliométrico señaló que “China ha hecho contribuciones significativas y ocupa una posición de liderazgo en los MOF en la investigación sobre el cáncer” pmc.ncbi.nlm.nih.gov, por dar un ejemplo. Instituciones chinas importantes como la Universidad de Jilin, la Universidad de Nankai y la Academia China de Ciencias cuentan con centros dedicados a los MOF que exploran desde baterías basadas en MOF hasta catalizadores para convertir CO₂ en combustible. El impulso del gobierno chino hacia la neutralidad de carbono para 2060 ha estimulado el interés en los MOF para tecnologías de descarbonización. Si bien China aún no cuenta con tantas startups de MOF conocidas a nivel mundial, tiene una fuerte colaboración entre la industria y la academia. Notablemente, China lidera en almacenamiento de metano basado en MOF para vehículos (un área donde los tanques llenos de adsorbente podrían permitir que los vehículos a gas natural almacenen más combustible a menor presión) y está investigando los MOF para capturar emisiones industriales bajo sus programas nacionales de CCUS.
Otras regiones también están activas: Japón sigue contribuyendo (con investigaciones de pioneros como Kitagawa y trabajos más recientes sobre MOF conductores), Corea del Sur tiene empresas como framergy (que colabora con grupos internacionales para comercializar MOF), y Australia alberga el ARC Centre of Excellence in Exciton Science, que estudia los MOF para detección y foto-catálisis. En Oriente Medio, KAUST de Arabia Saudita es un centro de investigación en MOF (han presentado patentes sobre captura de carbono con MOF, como se señaló) cas.org, y países como Emiratos Árabes Unidos y Catar están interesados en los MOF para desalinización de agua y separación de gases, en línea con sus necesidades.
Es importante destacar que el desarrollo de los MOF ya no se limita al laboratorio. Las patentes y los productos comerciales están en aumento. Un análisis realizado por Chemical Abstracts Service a finales de 2024 destacó que, si bien las publicaciones sobre MOF se han disparado, “el crecimiento de las publicaciones de patentes sugiere que la comercialización más amplia de esta tecnología es inminente.” cas.org En particular, CAS observó una actividad significativa de patentes en aplicaciones relacionadas con la descarbonización (captura de carbono, energía, almacenamiento de gases) y también en áreas como agua limpia y sensores cas.org. Esto indica que las empresas e institutos están protegiendo las innovaciones basadas en MOF mientras se preparan para su implementación en el mundo real. Hasta 2024, solo un puñado de productos habilitados con MOF estaban completamente comercializados businesswire.com – ejemplos incluyen los filtros de CO₂ de Svante, los contenedores de gas de NuMat, algunos dispositivos purificadores de aire de nicho y una línea de paquetes de control de humedad basados en MOF. Pero parece que estamos en un punto de inflexión. “El mercado global de MOF está experimentando actualmente una transición crítica de la investigación académica a la aplicación industrial,” señala un informe de ResearchAndMarkets, que proyecta que la industria crecerá alrededor de un 30% anual a partir de ahora businesswire.com. Para 2035, las aplicaciones de MOF podrían convertirse en un mercado de varios miles de millones de dólares, especialmente impulsado por la captura de carbono, el almacenamiento de hidrógeno, la recolección de agua y las separaciones químicas businesswire.com.
El lado de la fabricación también está escalando: alrededor de 50 empresas en todo el mundo ahora están produciendo MOFs, aunque gran parte de la capacidad está concentrada en unos pocos actores (como BASF y NuMat) businesswire.com. Los desafíos que enfrentan incluyen escalar la producción de gramos en laboratorio a toneladas industriales manteniendo la calidad, y hacerlo de manera rentable businesswire.com. De manera alentadora, se están logrando avances: los costos han estado bajando a medida que mejoran las técnicas, y las empresas han desarrollado métodos de producción continua (en lugar de la lenta síntesis por lotes) para fabricar MOFs en mayores cantidades businesswire.com. Por ejemplo, Promethean Particles en el Reino Unido utiliza un reactor de flujo para producir MOFs y otros nanomateriales, y novoMOF en Suiza ofrece fabricación de MOFs por contrato a gran escala. Estos desarrollos implican que, si surge una gran demanda (por ejemplo, miles de toneladas para unidades de captura de carbono), el lado de la oferta estará listo para satisfacerla.
La colaboración internacional también es evidente: científicos de diferentes países coescriben frecuentemente artículos sobre MOFs, y existen conferencias globales (por ejemplo, MOF2023 en Melbourne, MOF2024 en Vancouver) que reúnen a la comunidad. Esto ayuda a difundir las mejores prácticas y evitar esfuerzos duplicados, dado el enorme espacio químico de los MOFs.
Perspectiva: Por qué los MOFs son importantes para un futuro sostenible
Como hemos visto, los MOF se sitúan en la intersección de la ciencia de materiales avanzada y la resolución de problemas del mundo real. A menudo se les considera un “cambio de juego” para la sostenibilidad porque permiten procesos que antes eran inviables o ineficientes. La captura de carbono es un ejemplo principal: al hacer menos intensivo en energía el proceso de eliminar el CO₂, los MOF podrían permitir una implementación más amplia de la captura de carbono en plantas de energía y fábricas, reduciendo significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero. El almacenamiento de energía limpia es otro: los MOF podrían finalmente hacer que el hidrógeno (y quizás otros gases como el metano) sean prácticos como combustibles limpios al resolver el problema del almacenamiento. En agua limpia, los MOF literalmente crean agua del aire o purifican agua de manera económica, abordando la escasez y la contaminación sin necesidad de grandes infraestructuras. En atención médica, los MOF traen esperanza para la administración dirigida de medicamentos y diagnósticos sensibles, potencialmente salvando vidas con terapias más inteligentes. Y en toda la química industrial, los MOF ofrecen procesos de separación y catálisis más eficientes energéticamente, lo que podría reducir la huella de carbono de la producción de productos químicos cotidianos.
Es raro que una clase de materiales impacte tantos sectores, y por eso los MOF se comparan frecuentemente con el “próximo silicio” o el “próximo plástico” en términos de potencial transformador. Representan una nueva forma de construir materiales desde abajo hacia arriba con precisión (lo que les ha valido la comparación con LEGO o Tinkertoys a nivel molecular). Este enfoque de diseño reticular era mayormente teórico hace unas décadas; ahora es un conjunto de herramientas práctico adoptado por químicos e ingenieros en todo el mundo.
Los expertos creen que estamos al borde de que los MOF pasen de ser curiosidades de laboratorio a materiales de trabajo ubicuos integrados en diversas tecnologías. “Con todas sus aplicaciones potenciales, los MOF están impulsando avances importantes en algunos de nuestros campos científicos más desafiantes,” escribió un analista de ACS, agregando que las mejoras en IA y aprendizaje automático están acelerando la selección de MOF, “lo que significa que más avances y usos comerciales pueden estar cerca.” cas.org El plazo para que los MOF lleguen al mercado ya se está acortando: mientras que el primer MOF se fabricó en 1995, no fue hasta la década de 2020 que aparecieron los primeros usos comerciales, pero podríamos ver docenas de productos habilitados por MOF en los próximos años. Los gigantes de la industria están tomando nota: las empresas de petróleo y gas ven los MOF para un procesamiento más limpio, las empresas tecnológicas consideran los MOF para filtros de aire en centros de datos, y las compañías automotrices están interesadas en tanques de hidrógeno con MOF y depuradores de CO₂ para el aire de la cabina.
A nivel global, el apoyo a la investigación y despliegue de MOF está alineado con prioridades urgentes como la acción climática, el desarrollo sostenible y la manufactura avanzada. Gobiernos e inversores están financiando startups y proyectos piloto de MOF, reconociendo que estos materiales podrían dar a su país una ventaja competitiva en tecnología limpia. En Estados Unidos y Europa, los MOF aparecen en hojas de ruta para la captura de carbono y el almacenamiento de hidrógeno. Los últimos planes quinquenales de China enfatizan los nuevos materiales y la sostenibilidad, campos que están en el centro de la especialidad de los MOF. Las organizaciones internacionales también están involucradas: por ejemplo, la captura de carbono basada en MOF fue destacada en conferencias recientes de CCUS decarbonfuse.com, y la recolección de agua con MOF ha sido cubierta por medios como BBC y Scientific American, llevando la atención pública a estas innovaciones.
Por supuesto, aún existen desafíos. Los costos de fabricación y la escalabilidad necesitan seguir mejorando (aunque, como se mencionó, se están logrando avances significativos en ese aspecto businesswire.com). La estabilidad a largo plazo de los MOF en condiciones reales (expuestos a impurezas, sometidos a muchos ciclos) debe demostrarse caso por caso. Y cada aplicación debe enfrentarse a la competencia de otras tecnologías (por ejemplo, ¿puede la captura de carbono con MOF superar a los nuevos sistemas de solventes o membranas? ¿Pueden los recolectores de agua con MOF superar a la desalinización tradicional a gran escala?). Estas preguntas se responderán en los próximos años mediante proyectos de demostración y análisis económicos. Los primeros indicios son alentadores: donde los MOF sobresalen, realmente sobresalen, ofreciendo capacidades que no tienen igual en otras alternativas (por ejemplo, ningún otro material puede capturar agua al 10% de humedad con tanta eficiencia, o almacenar tanto hidrógeno en una forma tan ligera).
En conclusión, los MOFs ilustran el poder de la innovación química para abordar desafíos globales. Comenzaron como una curiosidad en los laboratorios de química y han evolucionado hasta convertirse en una plataforma con el potencial de hacer que la industria sea más limpia, la energía más sostenible y recursos como el agua más accesibles. El esfuerzo mundial para desarrollar MOFs – desde startups estadounidenses hasta universidades chinas, consorcios de investigación europeos y laboratorios de Oriente Medio – subraya un optimismo compartido en estos materiales. Como lo expresó sucintamente un informe, los MOFs están “transicionando de una curiosidad científica a una realidad comercial,” resolviendo problemas en captura de carbono, agua, energía y más businesswire.com. Si las tendencias actuales continúan, es posible que pronto los MOFs estén trabajando silenciosamente tras bambalinas en muchos aspectos de la vida diaria, ayudando a lograr un mundo más verde y avanzado. La próxima vez que tomes un sorbo de agua en el desierto, conduzcas un coche de hidrógeno o respires aire más limpio en una ciudad, es posible que un marco metal-orgánico sea parte de la razón.
Fuentes: Investigaciones recientes y comentarios de expertos sobre los MOF se extrajeron de revistas científicas líderes, comunicados de prensa universitarios e informes de la industria, incluyendo Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, comunicados de Businesswire businesswire.com, CORDIS (UE) cordis.europa.eu, y análisis de mercado businesswire.com, entre otros. Estas fuentes destacan el consenso de que los MOF son una plataforma revolucionaria en la ciencia de materiales, con un impacto en el mundo real que crece rápidamente.
