- Os MOFs possuem uma área de superfície interna recorde mundial de até cerca de 7.000 m^2 por grama, com projetos teóricos de até 14.600 m^2/g.
- Em cerca de 20 anos, pesquisadores criaram quase 90.000 estruturas únicas de MOFs, com centenas de milhares mais previstas pela teoria.
- Os MOFs são redes cristalinas porosas construídas a partir de nós metálicos e ligantes orgânicos, formando uma malha 3D ajustável que atua como uma esponja molecular.
- O CALF-20, um MOF à base de zinco, pode reter cerca de uma tonelada de CO2 por dia por metro cúbico em condições industriais.
- ZnH-MFU-4l é um MOF inovador para captura de CO2 em alta temperatura que liga seletivamente CO2 de gases de combustão quentes a cerca de 300 °C, capturando mais de 90 por cento do CO2.
- DCF-1, lançado pela Decarbontek em meados de 2025, é um MOF de baixo custo feito de óxido de zinco e ácido cítrico, projetado para custar cerca de US$ 10 por quilograma em escala total.
- A Svante está testando um sistema de sorvente MOF CALF-20 em uma fábrica de cimento capaz de capturar cerca de 1 tonelada de CO2 por dia.
- MOF-303, um MOF de alumínio para coleta de água, possibilitou um coletor portátil no Vale da Morte em 2023 que recuperou cerca de 85–90% da água adsorvida, entregando até 285 gramas por quilograma por dia.
- O projeto EU MOST-H2, lançado em 2022, usa IA para selecionar MOFs para armazenamento de hidrogênio; em 2025 relatou progresso com mais de 10.000 estruturas analisadas e protótipos atendendo às metas do DOE em condições criogênicas.
- MIL-101(Cr) pode ter seus poros expandidos de cerca de 2,5 nm para 5 nm via tratamento com ácido acético, permitindo maior carregamento de ibuprofeno e 5-fluorouracil e liberação mais rápida.
Uma Revolução em Materiais Avançados e Sustentabilidade
Imagine um material com tanta área de superfície interna que uma pitada dele contém o equivalente a seis campos de futebol de área news.berkeley.edu. Tais metal-organic frameworks (MOFs) são compostos porosos e cristalinos feitos de nós metálicos conectados por ligantes orgânicos, criando redes semelhantes a esponjas em escala molecular. Cientistas destacam os MOFs como tendo “possibilidades aparentemente ilimitadas” para construir estruturas personalizadas com propriedades sob medida cas.org. Nos últimos 20 anos, a pesquisa sobre MOFs explodiu – quase 90.000 estruturas únicas de MOFs foram criadas (com centenas de milhares mais previstas em teoria) cas.org. Esse aumento é impulsionado pela promessa de que os MOFs podem enfrentar desafios críticos em sustentabilidade e tecnologia. Desde capturar dióxido de carbono que aquece o clima e armazenar combustível de hidrogênio limpo até entregar medicamentos e coletar água do ar do deserto, os MOFs estão prontos para impulsionar avanços em áreas que vão da energia e meio ambiente à biomedicina cas.orgcas.org. Neste relatório, explicamos o que são MOFs, como funcionam e são feitos, e por que são considerados revolucionários. Vamos explorar as principais aplicações – incluindo captura de carbono, armazenamento de hidrogênio, entrega de medicamentos, sensores e coleta de água – destacando avanços científicos recentes, implementações no mundo real e opiniões de especialistas. Ao analisar o cenário global (EUA, UE, China e além) e os avanços mais recentes, veremos por que os MOFs são vistos como materiais revolucionários para um futuro mais sustentável.
O que são MOFs? Cristais porosos com áreas de superfície recordes
Estruturas metal-orgânicas (MOFs) são uma classe incomum de materiais construídos como brinquedos de montar moleculares. Elas consistem em íons metálicos ou aglomerados que atuam como núcleos, ligados entre si por moléculas orgânicas (ligantes) que funcionam como hastes. Esses componentes se auto-organizam em uma rede cristalina aberta, semelhante a uma gaiola – formando essencialmente uma rede porosa 3D mantida por ligações de coordenação cas.org. O resultado é uma esponja cristalina: os MOFs possuem porosidade e área superficial extremamente altas, o que significa que seu interior está cheio de pequenas cavidades e canais que outras moléculas podem acessar. Na verdade, os MOFs detêm o recorde mundial de área superficial em um material – alguns oferecem até ~7.000 m^2 por grama, com projetos teóricos chegando a 14.600 m^2/g cas.org. Para colocar isso em perspectiva, apenas uma colher de sopa de um MOF típico pode ter uma área interna do tamanho de vários campos de futebol, proporcionando espaço abundante para adsorver gases ou outras moléculas news.berkeley.edu.
Essa vasta superfície interna e estrutura de poros ajustável são o que tornam os MOFs tão especiais. Ao trocar os nós metálicos ou os ligantes orgânicos, os químicos podem criar diferentes MOFs com tamanhos de poros, formas e funcionalidades químicas personalizadas cas.org. Praticamente qualquer combinação é possível – um dos pioneiros da área, o Professor Omar Yaghi (que sintetizou os primeiros MOFs nos anos 1990), observou que dezenas de milhares de MOFs já foram produzidos e “centenas de milhares a mais” são previstos por algoritmos cas.org. Essa estratégia modular de design “reticular” significa que os cientistas podem basicamente projetar materiais sob encomenda: por exemplo, um MOF pode ser desenvolvido para preferir capturar moléculas de CO₂, ou para brilhar na presença de uma toxina, simplesmente escolhendo os blocos de construção apropriados. O lado negativo dessa diversidade é um desafio – com tantas estruturas possíveis, pode ser difícil prever qual MOF funcionará melhor para uma determinada aplicação cas.org. (Pesquisadores estão recorrendo cada vez mais à IA e ao aprendizado de máquina para vasculhar bancos de dados de MOFs e sugerir os candidatos mais promissores, um ponto que abordaremos mais adiante cas.org.)
Em resumo, um MOF é como uma esponja ultrafina ou uma estrutura em escala nanométrica. Ele é feito de componentes inorgânicos e orgânicos presos em uma rede repetitiva, resultando em um material sólido que é, em sua maioria, espaço vazio. Esses poros vazios podem abrigar moléculas convidadas. Crucialmente, os MOFs geralmente permanecem robustos mesmo após a remoção de seus “convidados” solventes iniciais – a estrutura vazia permanece intacta e porosa, pronta para adsorver novas moléculas e liberá-las sob as condições certas en.wikipedia.org. Essa absorção e liberação reversíveis são fundamentais para aplicações que vão do armazenamento de gases à entrega de medicamentos. Como explica o Dr. Kurtis Carsch, químico da UC Berkeley: “Como resultado de suas estruturas únicas, os MOFs têm uma alta densidade de sítios onde você pode capturar e liberar CO₂ sob as condições apropriadas” news.berkeley.edu – ou, da mesma forma, capturar e liberar outras moléculas. Em essência, os MOFs oferecem uma combinação sem precedentes de alta capacidade (devido à enorme área superficial), ajustabilidade (pelo design químico) e reversibilidade, tornando-os uma plataforma poderosa na ciência dos materiais.
Como os MOFs são feitos e como funcionam?
Sintetizar um MOF geralmente é mais fácil do que sua estrutura intrincada pode sugerir. Normalmente, os cientistas dissolvem uma fonte metálica (como um sal metálico) e uma molécula orgânica ligante em um solvente, depois estimulam a formação de cristais por meio de mistura lenta, calor ou evaporação. Os íons metálicos e os ligantes se coordenam e cristalizam espontaneamente em uma estrutura ordenada – crescendo um cristal de MOF de forma semelhante ao doce de rocha que precipita de uma solução de açúcar, mas em escala molecular. Muitos MOFs são feitos por métodos solvotérmicos (aquecendo os ingredientes em um recipiente fechado), embora técnicas mais recentes incluam síntese assistida por micro-ondas, secagem por spray e até moagem mecanicoquímica sem solvente. O que é notável é que os MOFs frequentemente podem se auto-organizar sob condições relativamente brandas. Por exemplo, um recente MOF inovador para captura de carbono chamado DCF-1 é sintetizado simplesmente misturando óxido de zinco com ácido cítrico em água – um “método seguro, sustentável e patenteado” que produz um MOF de alto desempenho a baixo custo businesswire.com. Isso ilustra como os pesquisadores estão aprimorando os métodos de produção para reduzir custos e evitar produtos químicos agressivos. Os cristais de MOF podem variar de nanômetros a milímetros, e geralmente são processados em pós ou formados em pellets e membranas para uso prático.
Como funcionam os MOFs se resume à adsorção e seletividade. Seus poros atuam como pequenos armários de armazenamento ou armadilhas para moléculas. Quando um MOF é exposto a um gás ou líquido, moléculas-alvo podem entrar nos poros e aderir às superfícies internas (por forças de van der Waals, interações químicas em sítios específicos, etc.). Como os MOFs possuem uma grande área interna e frequentemente grupos químicos que se ligam a certas moléculas, eles podem absorver quantidades impressionantes. Por exemplo, um MOF (CALF-20, uma estrutura à base de zinco) pode armazenar cerca de uma tonelada de CO₂ por dia por metro cúbico de material em condições industriais businesswire.com – funcionando essencialmente como uma esponja gigante para dióxido de carbono. No entanto, a adsorção geralmente é reversível: ao mudar as condições (aquecendo o MOF, reduzindo a pressão ou lavando com outro gás), as moléculas presas são liberadas (dessorvidas) e o MOF é regenerado para outro ciclo news.berkeley.edu. Esse ciclo de captura e liberação é crucial para aplicações como captura de carbono ou armazenamento de gases, onde o MOF precisa ser reutilizado muitas vezes. No exemplo de captura de CO₂, uma vez que o MOF está saturado com CO₂, “o CO₂ pode ser removido reduzindo sua pressão parcial – seja lavando com um gás diferente ou colocando sob vácuo. O MOF então está pronto para ser reutilizado em outro ciclo de adsorção” news.berkeley.edu.
A química interna de cada MOF pode ser ajustada para preferir certas moléculas em relação a outras, tornando-os altamente seletivos. Alguns MOFs possuem sítios metálicos abertos ou grupos funcionais em seus poros que atuam como ganchos para gases específicos. Outros são decorados com moléculas (como aminas ou sítios de cobre) que reagem com um alvo (como o CO₂). Essa capacidade de ajuste é uma grande vantagem – ao contrário de materiais porosos tradicionais (por exemplo, carvão ativado ou zeólitas) que possuem propriedades fixas, os MOFs podem ser projetados sob medida. “Suas propriedades ajustáveis são o fator chave,” observa um relatório da CAS Insights, “alta área superficial e porosidade combinadas com química ajustável dão aos MOFs a capacidade de adsorver gases e compostos voláteis, atraindo enorme interesse em separação e armazenamento de gases, particularmente para CO₂” cas.org. Em resumo, os MOFs funcionam prendendo seletivamente moléculas em seus poros nanoscópicos – como uma peneira ou filtro feito de moléculas – e podem liberar a carga posteriormente quando acionados. Esse conceito simples sustenta a variedade de usos que discutiremos, desde remover CO₂ de exaustão, armazenar hidrogênio de forma mais densa, até transportar moléculas de medicamentos na corrente sanguínea.
Principais Aplicações dos MOFs
As habilidades únicas dos MOFs, semelhantes a uma esponja, os tornam úteis em uma surpreendentemente ampla variedade de aplicações. Abaixo, exploramos alguns dos usos mais impactantes que estão sendo desenvolvidos atualmente – juntamente com avanços recentes e exemplos em cada área.
Captura de Carbono e Mitigação do Clima
Uma das aplicações mais urgentes para os MOFs é capturar dióxido de carbono de gases de exaustão de usinas de energia ou até mesmo diretamente do ar. Reduzir as emissões de CO₂ é fundamental para combater as mudanças climáticas, e os MOFs estão surgindo como “um dos materiais mais promissores para a captura de carbono” porque conseguem absorver CO₂ com maior eficiência e menor custo energético do que os métodos convencionais ccarbon.info. A tecnologia tradicional de captura de carbono utiliza soluções líquidas de aminas para ligar o CO₂, mas as aminas são corrosivas, exigem muita energia para regeneração e normalmente funcionam apenas em temperaturas relativamente baixas (em torno de 40–60 °C). Muitos gases industriais de exaustão, no entanto, são muito mais quentes (a exaustão de fábricas de cimento e aço pode ultrapassar 200–300 °C), tornando a captura de carbono difícil e cara, pois os gases precisam ser resfriados primeiro news.berkeley.edu. Os MOFs oferecem um avanço potencial: eles podem ser projetados para capturar CO₂ mesmo sob condições adversas e, em seguida, liberá-lo com aquecimento ou mudanças de pressão moderadas, usando muito menos energia no geral do que os lavadores de amina ccarbon.info.
No final de 2024, químicos da UC Berkeley relataram um avanço em MOF que pode capturar CO₂ de gases de combustão quentes sem resfriamento prévio. O material, conhecido como ZnH-MFU-4l, contém sítios de hidreto de zinco em seus poros que se ligam fortemente ao CO₂ em altas temperaturas. “Descobrimos que um MOF pode capturar dióxido de carbono em temperaturas excepcionalmente altas – temperaturas relevantes para muitos processos emissores de CO₂,” disse o Dr. Kurtis Carsch, co-primeiro autor do estudo. “Isso era algo anteriormente considerado impossível para um material poroso.” news.berkeley.edu Em condições simuladas de exaustão, este MOF foi capaz de capturar seletivamente CO₂ a ~300 °C (típico de gases de combustão de cimento/aço) e capturar mais de 90% do CO₂ na corrente (“captura profunda de carbono”), rivalizando com o desempenho de aminas líquidas news.berkeley.edu. Tal operação em alta temperatura evita a necessidade de gastar energia e água para resfriar as emissões news.berkeley.edu, potencialmente tornando a captura de carbono viável para indústrias “difíceis de descarbonizar” como aço e cimento. “Como a entropia favorece que moléculas como o CO₂ permaneçam na fase gasosa cada vez mais com o aumento da temperatura, geralmente se pensava ser impossível capturar tais moléculas com um sólido poroso em temperaturas acima de 200 °C,” observou o Professor Jeffrey Long, que liderou a pesquisa. “Este trabalho mostra que, com a funcionalidade certa… a captura de CO₂ em alta capacidade pode de fato ser realizada a 300 °C.” news.berkeley.edu A descoberta abre um novo caminho de design (usando sítios de hidreto metálico em MOFs) para materiais de captura de carbono de próxima geração news.berkeley.edu.Os MOFs também estão se destacando em funções mais convencionais de captura de CO₂. O interesse de startups e empresas disparou: a ExxonMobil registrou patentes de tecnologias de MOF para captura de carbono cas.org, e pesquisadores da KAUST na Arábia Saudita patentearam MOFs para capturar CO₂ e separar gases cas.org. Diversas startups estão competindo para comercializar filtros de CO₂ à base de MOF. Por exemplo, a Nuada (uma startup sediada na UE) está explorando sistemas de MOF para ajudar fabricantes de cimento a capturar CO₂ de gases de combustão cas.org. Outra empresa, a Mosaic Materials, desenvolveu um MOF funcionalizado com amina para captura de CO₂ tão promissor que foi adquirido pela empresa de tecnologia energética Baker Hughes em 2022 para expansão news.berkeley.edu. O MOF da Mosaic está sendo testado em projetos-piloto como alternativa às aminas líquidas, e até mesmo para captura direta de CO₂ do ar news.berkeley.edu.
Apenas em meados de 2025, a Decarbontek, Inc. anunciou que está produzindo comercialmente um adsorvente MOF para captura de carbono. A empresa lançou o DCF-1 (De-Carbon Framework-1), chamando-o de “um MOF inovador, de baixo custo e alto desempenho, projetado para captura de carbono em escala”, agora disponível por quilograma ccarbon.info. “Com o lançamento do DCF-1, estamos estabelecendo um novo padrão para materiais de captura de carbono,” disse o Dr. Yong Ding, CEO da Decarbontek. “É econômico, fácil de fabricar e altamente eficiente – tornando a captura de carbono acessível em diversos setores.” businesswire.com O DCF-1 pode ser produzido de forma barata (usando óxido de zinco comum e ácido cítrico) e pretende custar apenas cerca de US$ 10 por kg em escala total, “comparável a peneiras moleculares comuns”, segundo Ding businesswire.com. Isso é significativo porque os MOFs há muito tempo são vistos como caros demais para uso em larga escala; um MOF de baixo custo e fácil fabricação pode remover uma grande barreira para adoção ccarbon.info. O material supostamente combina alta capacidade de captura de CO₂ com um processo de produção não tóxico à base de água, ideal para adaptação em fábricas ou até mesmo para remoção de CO₂ do ar businesswire.com. O produto da Decarbontek e outros semelhantes destacam como a tecnologia MOF está passando do laboratório para o mercado no campo da captura de carbono.
Talvez o sinal mais tangível de progresso esteja em projetos-piloto: Svante, uma empresa canadense, está usando um adsorvente MOF (CALF-20, fabricado pela BASF) em um sistema de demonstração que captura cerca de 1 tonelada de CO₂ por dia dos gases de exaustão de uma fábrica de cimento businesswire.com. Este teste em condições reais mostra que os MOFs podem lidar com fluxos de gases industriais e realmente funcionar em campo. Esses desenvolvimentos sugerem que os MOFs em breve poderão desempenhar um papel fundamental nos esforços globais de Captura, Utilização e Armazenamento de Carbono (CCUS), ajudando indústrias a reduzir as emissões de CO₂. Considerando que a captura de carbono é vital para mitigar as mudanças climáticas (especialmente para setores que não podem ser facilmente eletrificados), os MOFs são amplamente vistos como um avanço de “material milagroso” para a descarbonização news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Ao oferecer maior eficiência e menores penalidades energéticas, a captura de carbono baseada em MOF pode permitir uma adoção mais ampla do CCUS – uma ponte importante para um futuro de emissões líquidas zero enquanto as energias renováveis ganham escala. Em suma, os MOFs fornecem um novo e poderoso conjunto de ferramentas para capturar CO₂, desde chaminés industriais até o ar livre, razão pela qual essa área de aplicação continua sendo o foco mais quente em pesquisa e comercialização de MOFs.
Armazenamento de Hidrogênio e Energia Limpa
Se os MOFs podem ajudar a remover carbono dos nossos sistemas energéticos atuais, eles também estão prontos para viabilizar portadores de energia limpa como o hidrogênio no futuro. O hidrogênio (H₂) é um combustível promissor de zero carbono (sua queima produz apenas água), mas armazenar hidrogênio de forma eficiente é um grande desafio – o H₂ é um gás de densidade muito baixa, e sua compressão ou liquefação consome muita energia e requer tanques pesados. Os MOFs oferecem uma maneira de armazenar hidrogênio de forma compacta e segura por meio de adsorção. Essencialmente, o gás hidrogênio pode ser carregado nos poros do MOF em alta densidade (especialmente em temperaturas mais baixas), como ovos em uma caixa de ovos, e depois liberado quando necessário. O Departamento de Energia dos EUA e outros estabeleceram metas para materiais de armazenamento de hidrogênio (em percentual de peso e volume de H₂ armazenado), e certos MOFs chegaram perto ou até superaram essas metas em temperaturas criogênicas.
Na Europa, um esforço conjunto está em andamento para aproveitar os MOFs para o armazenamento de hidrogênio. O projeto MOST-H2 financiado pela UE (lançado em 2022) está desenvolvendo sistemas de armazenamento de hidrogênio crioadsorptivo usando MOFs avançados cordis.europa.eu. Na crioadsorção, o gás hidrogênio é resfriado (tipicamente à faixa do nitrogênio líquido, ~77 K) e adsorvido em um material poroso, alcançando alta densidade sem pressões extremas. A “arma secreta do projeto é uma classe especial de material cristalino poroso chamado MOFs,” que estão sendo moldados em adsorventes monolíticos de MOF com uma combinação ideal de capacidade volumétrica e gravimétrica cordis.europa.eu. Em 2025, os pesquisadores do MOST-H2 relataram “progresso significativo” – eles combinaram triagem orientada por IA com experimentos para identificar novos compostos de MOF que superam as metas amplamente aceitas para capacidades de armazenamento de hidrogênio tanto gravimétrica quanto volumétrica cordis.europa.eu. Esses avanços foram garantidos por meio de pedidos de patente cordis.europa.eu, destacando sua novidade. Na prática, os protótipos de MOF da equipe podem armazenar hidrogênio de forma densa em condições criogênicas, em materiais que são fáceis e seguros de manusear (sem pressões extremamente altas) e têm uma “pegada ambiental muito pequena” cordis.europa.eu. O objetivo final é integrar esses MOFs em uma solução completa de armazenamento de hidrogênio “do laboratório ao tanque” para aplicações como veículos movidos a hidrogênio (o projeto está explorando estudos de caso para trens movidos a hidrogênio na Áustria e Itália) cordis.europa.eu.
Um aspecto notável desse esforço é o uso de aprendizado de máquina para acelerar a descoberta. O projeto MOST-H2 desenvolveu uma ferramenta de IA para prever quais estruturas de MOF seriam ideais para a absorção de hidrogênio, criando um “banco de dados robusto de materiais de alto desempenho” e mostrando como métodos computacionais podem remodelar o desenvolvimento de MOFs cordis.europa.eu. Ao analisar virtualmente mais de 10.000 estruturas de MOF e depois testar os principais candidatos no laboratório, a equipe conseguiu identificar vários destaques que prontamente patentearam cordis.europa.eu. Essa abordagem reduz drasticamente o processo de tentativa e erro normalmente necessário em P&D de materiais. Como resultado, os MOFs do projeto estão a caminho de atender ou superar as rigorosas metas de armazenamento exigidas para tanques de combustível práticos, tudo isso mantendo-se econômicos e estáveis ao longo de muitos ciclos cordis.europa.eu. O design do tanque à base de MOF também está sendo otimizado com modelagem avançada de transferência de calor e massa e análise de ciclo de vida, para garantir que possa ser ampliado e integrado em veículos reais cordis.europa.eu.
Além deste projeto, outros pesquisadores já demonstraram MOFs capazes de uma notável absorção de hidrogênio. Por exemplo, MOF-74 (uma estrutura bem conhecida) pode absorver mais hidrogênio do que qualquer tanque sem pressurização a 77 K, apontando para o potencial dos MOFs em eliminar o gargalo no armazenamento de hidrogênio innovations-report.com. A estratégia geral é operar próximo a temperaturas criogênicas – o que pode parecer intensivo em energia, mas técnicas como isolamento inteligente ou o uso de resfriamento “gratuito” proveniente da evaporação do hidrogênio líquido podem tornar isso viável. O benefício seria tanques de hidrogênio leves e de alta capacidade para carros, ônibus ou aviões a célula de combustível que não exigem compressão a 700 bar ou recipientes extremamente pesados. Esses tanques poderiam ser “baterias” de hidrogênio em estado sólido, onde grânulos de MOF armazenam hidrogênio com segurança em pressões moderadas. Pesquisadores também estão explorando MOFs para armazenamento de hidrogênio em temperatura ambiente, embora nenhum material ainda atenda a todas as metas do DOE em condições ambientes.
Em resumo, os MOFs estão na vanguarda da solução do dilema de armazenamento do hidrogênio. Eles atuam como nano-esponjas que empacotam moléculas de hidrogênio de forma densa por adsorção, permitindo que mais hidrogênio caiba em um determinado volume sob uma determinada pressão. Os MOFs atuais, combinados com resfriamento criogênico, demonstraram capacidades recordes – ultrapassando o que o hidrogênio líquido pode alcançar por volume em alguns casos – o que pode permitir que veículos movidos a hidrogênio percorram distâncias maiores com um tanque e reabasteçam mais rapidamente. Com o interesse global no hidrogênio como um portador de energia limpa (para transporte, armazenamento em rede e indústria), avanços como tanques baseados em MOF são essenciais. O fato de que patentes estão sendo registradas e projetos de vários anos financiados na UE e em outros lugares sinaliza confiança de que os MOFs desempenharão um papel fundamental na economia do hidrogênio. Como afirmou um relatório da UE, esses materiais inovadores prometem “soluções de armazenamento de hidrogênio baratas, eficientes e ambientalmente amigáveis” para as metas climáticas da Europa cordis.europa.eu – uma afirmação que ressoa mundialmente à medida que as nações investem em infraestrutura de H₂.
Liberação de Fármacos e Aplicações Biomédicas
Os MOFs não são apenas para energia e meio ambiente – eles também estão ganhando destaque na biomedicina como novos sistemas de liberação de fármacos e agentes de imagem. No contexto farmacêutico, os MOFs podem atuar como carreadores em nanoescala para moléculas terapêuticas. A ideia é que um fármaco (que pode ser uma pequena molécula, proteína ou até mesmo um ácido nucleico) possa ser carregado nos poros do MOF e então transportado pelo corpo, protegido pela estrutura do MOF. A estrutura porosa pode, às vezes, proteger o fármaco de degradação prematura, direcionar sua liberação para um local específico ou permitir uma liberação lenta e controlada ao longo do tempo. Os MOFs podem até ser projetados para responder a estímulos (como pH ou luz) para desencadear a liberação do fármaco sob comando jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Esta é uma área emergente de pesquisa em nanomedicina.
Uma vantagem dos MOFs é sua alta capacidade de carregamento – devido à sua enorme área superficial, eles podem transportar uma grande quantidade de medicamento em relação ao seu peso. Além disso, muitos MOFs podem ser feitos de componentes biocompatíveis (por exemplo, nós de zinco ou ferro com ácidos orgânicos comestíveis), o que significa que podem se degradar em subprodutos não tóxicos no corpo cas.org. De fato, alguns MOFs são bioamigáveis e biodegradáveis, tornando-os atraentes para uso em organismos vivos cas.org. Pesquisadores cunharam o termo “nano-MOFs” para partículas de MOF muito pequenas (tipicamente 50–200 nanômetros) projetadas para injeção na corrente sanguínea ou entrega celular axial.acs.org. Vários desses nano-MOFs avançaram para ensaios clínicos para terapia do câncer axial.acs.org – por exemplo, como transportadores para medicamentos de quimioterapia ou para potencializar o tratamento com radiação. Isso mostra o real potencial dos MOFs como uma plataforma na medicina.Um estudo recente em 2024 demonstrou como simples ajustes químicos podem melhorar o desempenho de um MOF na liberação de medicamentos. Cientistas da Universidade de Miami pegaram um MOF bem conhecido chamado MIL-101(Cr) (uma estrutura à base de cromo com grandes poros) e efetivamente o “inflaram” com uma etapa extra de síntese acs.org. Eles trataram os cristais do MOF com um pouco de ácido acético (semelhante ao vinagre) para expandir o tamanho do poro de cerca de 2,5 nm para 5 nm, aumentando a área de superfície interna acs.org. Essas partículas de MOF com “poros expandidos” foram então carregadas com dois medicamentos modelo – ibuprofeno (um anti-inflamatório) e 5-fluorouracil (um quimioterápico) – para testar a capacidade e a cinética de liberação. Os resultados foram impressionantes: “Os MOFs inflados armazenaram mais ibuprofeno ou quimioterápico em comparação com a versão original e apresentaram desempenho aprimorado como potencial veículo de liberação de medicamentos.” acs.org Como os poros eram maiores, mais moléculas de medicamento podiam caber dentro, e de fato o MOF modificado absorveu uma quantidade maior de ambos os medicamentos do que o MIL-101 não modificado acs.org. Além disso, em experimentos de liberação, o MOF com poros expandidos liberou os medicamentos substancialmente mais rápido do que o original, devido às aberturas maiores atuando como “portas” largas para a saída das moléculas acs.org. Uma liberação mais rápida pode ser benéfica para atingir níveis terapêuticos rapidamente, enquanto uma liberação lenta e controlada pode ser obtida por outras modificações. Os pesquisadores veem esse simples método de lavagem ácida como uma forma de ajustar os perfis de liberação dos MOFs para diferentes necessidades acs.org. Como eles observam, “mudanças simples como essas podem maximizar a eficácia dos MOFs em futuras aplicações de liberação de medicamentos”, e trabalhos em andamento estão explorando como alcançar liberação lenta e sustentada ao longo de períodos específicos ajustando as estruturas dos poros acs.org.Este é apenas um exemplo entre muitos. Outros estudos mostraram que MOFs podem transportar combinações de medicamentos, proteger biomoléculas delicadas como proteínas ou RNA e até mesmo facilitar a entrega direcionada a tumores (anexando ligantes de direcionamento ao MOF). Como é possível combinar diferentes centros metálicos, pesquisadores descobriram que a escolha do metal pode afetar as taxas de liberação – por exemplo, um estudo descobriu que MOFs feitos com magnésio liberaram um medicamento de teste mais rapidamente do que aqueles feitos com zircônio, sugerindo que nós metálicos mais solúveis levam a uma degradação mais rápida da estrutura e liberação do medicamento axial.acs.org. Esses insights estão orientando o design de MOFs para liberação de medicamentos “sob demanda” e teranóstica (terapia + diagnóstico). Notavelmente, MOFs também podem servir como agentes de contraste ou sondas de imagem; alguns incorporam lantanídeos luminescentes ou isótopos radioativos para rastreamento, e outros aumentam sinais de ressonância magnética. As propriedades luminescentes de certos MOFs permitiram até biossensores que podem detectar biomarcadores ou toxinas ambientais por meio de uma mudança de fluorescência cas.org – desfocando a linha entre entrega de medicamentos e detecção.
Crucialmente, estudos iniciais de segurança indicam que MOFs devidamente formulados podem ser não tóxicos e biodegradáveis no organismo cas.org. Por exemplo, MOFs feitos de ferro ou zinco com ligantes de grau alimentício podem se decompor em nutrientes ou ser excretados. Essa biocompatibilidade, combinada com alta capacidade de carga e versatilidade, levou especialistas a considerarem os MOFs como uma “nova classe promissora de transportadores inteligentes de medicamentos” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Embora nenhum medicamento baseado em MOF tenha chegado ao mercado ainda, os ensaios clínicos em andamento sugerem que é apenas uma questão de tempo. Em um futuro próximo, nanopartículas de MOF podem entregar quimioterapia de forma mais direta às células cancerígenas, reduzindo efeitos colaterais, ou atuar como “nanoantídotos” que absorvem substâncias tóxicas no corpo. O ritmo das pesquisas é forte – uma revisão contou dezenas de sistemas de entrega de medicamentos baseados em MOF para câncer, HIV, diabetes e mais em investigação pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Se esses esforços forem bem-sucedidos, os MOFs podem inaugurar uma nova era de medicina de precisão, onde o tratamento não se resume apenas à molécula do medicamento, mas também ao veículo inteligente que a transporta.
Sensores e Detecção
Graças à sua química ajustável e frequentemente à luminescência inerente, os MOFs surgiram como componentes poderosos em sensores químicos. Uma pequena mudança na estrutura de um MOF – por exemplo, uma molécula hóspede se ligando ou um elétron sendo transferido – pode se traduzir em um sinal óptico ou elétrico detectável. Isso torna os MOFs excelentes para detectar compostos em traços no ambiente, em alimentos ou até mesmo no corpo humano. Pesquisadores criaram sensores à base de MOF para uma ampla variedade de alvos: íons de metais pesados, explosivos (como vapores de TNT), gases industriais perigosos e biomarcadores de doenças, para citar alguns sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Uma abordagem popular são os MOFs luminescentes (frequentemente chamados de LMOFs). Estes são MOFs que naturalmente fluorescem ou fosforescem, ou são dopados com moléculas/metais fluorescentes. Quando um analito alvo entra nos poros do MOF, pode causar uma alteração na luminescência – talvez apagando-a, intensificando-a ou mudando sua cor. Por exemplo, certos MOFs contendo metais de terras raras emitem um sinal brilhante que pode ser seletivamente apagado por determinados produtos químicos, permitindo a detecção desses produtos em concentrações muito baixas pubs.rsc.org. Existem MOFs que atuam como sensores do tipo “turn-on” para íons metálicos como alumínio (brilhando apenas quando o íon se liga) pubs.acs.org, ou como sensores que mudam de cor para pH ou oxigênio. Como os MOFs possuem uma estrutura modular, os projetistas de sensores podem incorporar sítios de reconhecimento diretamente na estrutura. Imagine um MOF com bolsões de ligação perfeitamente dimensionados para uma molécula poluente – quando o poluente é capturado, isso desencadeia uma transferência de elétrons ou energia que faz a fluorescência do MOF diminuir ou mudar de cor. Tal especificidade é altamente valorizada em detecção.
Uma vantagem fundamental dos sensores de MOF é que eles podem ser altamente sensíveis e seletivos, mantendo-se estáveis. Os MOFs frequentemente podem operar em diferentes ambientes (alguns são estáveis em água, para detecção aquática). Pesquisadores já desenvolveram sensores à base de MOF capazes de detectar biomarcadores em fluidos complexos como urina ou sangue, filtrando e capturando o alvo em uma única etapa sciencedirect.com. Outro caminho promissor são os sensores eletroquímicos de MOF: MOFs condutores ou compósitos podem gerar uma resposta de corrente elétrica quando um gás ou vapor é adsorvido, atuando como um novo tipo de “nariz eletrônico” orcasia.org.
Importante ressaltar que muitos MOFs são feitos de componentes relativamente benignos, portanto, seu uso em sensores para consumidores ou aplicações biomédicas é viável. Um analista da CAS observou que os MOFs podem ser excelentes como biossensores porque alguns são “de baixa toxicidade e biodegradáveis”, especialmente aqueles usados em detecção baseada em luminescência cas.org. Isso significa que uma sonda revestida com MOF pode, futuramente, ser usada in vivo (dentro do corpo) para monitorar condições, ou partículas de MOF podem fazer parte de um teste diagnóstico que se dissolve com segurança após o uso. Atualmente, sensores de MOF já foram testados para detectar, por exemplo, metais pesados tóxicos na água (com o MOF fluorescendo na presença de mercúrio ou chumbo) pubs.acs.org, contaminantes alimentares (pesticidas ou antibióticos que fazem a emissão do MOF mudar) sciencedirect.com, e até mesmo como sensores vestíveis para análise do hálito.
Um exemplo em desenvolvimento é uma matriz de sensores à base de MOF para detecção de explosivos e agentes de guerra química. Ao utilizar múltiplos MOFs, cada um ajustado para responder a diferentes formatos químicos, a matriz pode produzir uma impressão digital única para uma determinada substância (semelhante a como nosso nariz diferencia cheiros). Outro exemplo: pesquisadores criaram um sensor de MOF luminescente que pode rapidamente indicar alimentos estragados ao detectar vapores de aminas provenientes da degradação da carne, fornecendo uma mudança de cor como indicador sciencedirect.com. Essas soluções criativas mostram como os MOFs podem contribuir para a saúde pública e segurança.
Em resumo, os MOFs trazem alta sensibilidade, capacidade de personalização e estabilidade para a tecnologia de sensores. Eles podem detectar moléculas em níveis de partes por bilhão em alguns casos, e sua resposta pode ser projetada para ser facilmente lida (uma mudança de cor visível a olho nu, ou uma alteração de corrente/tensão para leitura eletrônica). À medida que os padrões de monitoramento ambiental e segurança alimentar se tornam mais rigorosos, sensores de MOF podem encontrar uso generalizado devido à sua combinação de precisão e praticidade. O fato de os MOFs poderem ser transformados em filmes finos ou pós que revestem dispositivos significa que a integração ao hardware de sensores é bastante viável. Empresas e laboratórios de pesquisa em todo o mundo estão ativamente patenteando projetos de sensores com MOF cas.orgcas.org, indicando que em breve poderemos ver produtos comerciais de sensores aproveitando a tecnologia MOF – desde sensores inteligentes de cozinha que detectam deterioração, até detectores portáteis para qualidade do ar e ameaças à segurança. Esta é uma área vibrante onde química e engenharia se encontram, e os MOFs estão na vanguarda de tornar nosso mundo mais detectável e mensurável em detalhes minuciosos.
Captação de Água e Tecnologias para Água Limpa
Talvez uma das aplicações de MOFs que mais soa futurista – e que já foi demonstrada na vida real – seja extrair água potável do ar. A colheita de água atmosférica é uma tecnologia que visa extrair a umidade do ar (mesmo em climas áridos de deserto) para fornecer água potável. Desumidificadores tradicionais ou redes de neblina exigem ar relativamente úmido ou muita energia. Mas os MOFs demonstraram a capacidade de capturar água de ar extremamente seco (até 10–20% de umidade relativa) e depois liberá-la com entrada mínima de energia, tornando-os ideais para geradores de água fora da rede em regiões atingidas por seca.O conceito foi pioneiro do Professor Omar Yaghi (o inventor dos MOFs) e seus colegas. Em 2017, eles relataram pela primeira vez um MOF (MOF-801) capaz de coletar água do ar do deserto usando apenas luz solar como energia. Avançando para 2023, a tecnologia deu um salto à frente. Pesquisadores da UC Berkeley apresentaram um dispositivo portátil de coleta de água usando MOFs que foi testado no Vale da Morte – um dos lugares mais secos e quentes da Terra. O dispositivo, do tamanho de uma pequena mochila e alimentado inteiramente por luz solar ambiente, ciclava repetidamente para capturar água à noite e liberá-la como líquido durante o dia. “Esses testes mostraram que o dispositivo pode fornecer água limpa em qualquer lugar,” relatou a equipe, chamando-o de uma solução urgente à medida que “as mudanças climáticas agravam as condições de seca.” cdss.berkeley.edu O coletor baseado em MOF foi capaz de extrair umidade do ar com apenas 10% de umidade e produzir até 285 gramas de água por quilograma de MOF por dia em campo cdss.berkeley.edu. (~285 g é aproximadamente um copo de água; testes de laboratório em condições ideais produzem ainda mais.) De forma impressionante, fez isso usando nenhuma fonte de energia externa além da luz solar, ou seja, zero emissões de gases de efeito estufa ou necessidade de eletricidade cdss.berkeley.edu. Isso é possível porque o MOF primeiro adsorve vapor d’água do ar fresco da noite; então, o sol do dia aquece o MOF, fazendo com que ele libere a água como vapor, que é condensado em líquido em um coletor. O MOF pode operar por muitos ciclos sem perda de desempenho e pode ser regenerado simplesmente por secagem, tornando-o uma esponja de água robusta para uso a longo prazo cdss.berkeley.edu.
O MOF usado no dispositivo mais recente é uma estrutura à base de alumínio (chamada MOF-303) que possui uma forte afinidade por água, mas também a libera em temperaturas moderadas (~80 °C). Este MOF foi escolhido por seu desempenho excepcional: ele pode captar água mesmo em condições extremamente áridas e é estável por milhares de ciclos businesswire.com. De fato, o MOF-303 foi testado com sucesso no Vale da Morte, validando seu uso prático em ambientes extremos businesswire.com. Durante os testes, o dispositivo alcançou uma recuperação de água de cerca de 85–90% da água adsorvida em cada ciclo cdss.berkeley.edu, o que significa que muito pouca da umidade capturada foi perdida. O Dr. Yaghi, que liderou o estudo publicado na Nature Water (julho de 2023), destacou a importância: “Quase um terço da população mundial vive em regiões com estresse hídrico. A ONU projeta que até 2050, quase 5 bilhões de pessoas experimentarão estresse hídrico… Isso é bastante relevante para aproveitar uma nova fonte de água.” cdss.berkeley.edu Ao acessar o enorme reservatório de água na atmosfera (mesmo desertos têm um pouco de umidade no ar), os dispositivos de MOF oferecem uma nova fonte de água atraente, descentralizada e sustentável. Diferente das grandes usinas de dessalinização (que precisam de eletricidade e água do mar), um coletor de MOF pode ser um aparelho pessoal ou em escala de vila que funciona em qualquer lugar onde haja ar e luz solar.
Esforços comerciais já estão em andamento para ampliar a produção de coletores de água baseados em MOF. Diversas startups, muitas vezes em colaboração com universidades, estão avançando na tecnologia. Segundo um relatório de mercado recente, empresas como Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule e Transaera estão aproveitando as propriedades superiores de adsorção de água dos MOFs para construir sistemas de refrigeração e captação de água de próxima geração businesswire.com. Esses sistemas podem, segundo relatos, gerar até 0,7 litros de água por quilograma de MOF por dia mesmo em condições áridas businesswire.com – aproximadamente o dobro do rendimento dos protótipos iniciais – graças a materiais e designs aprimorados. A Transaera, por exemplo, está incorporando MOFs em aparelhos de ar-condicionado ultrassustentáveis que não apenas resfriam o ar, mas também coletam água como bônus (a Transaera foi finalista do Global Cooling Prize). Outro esforço, da AQUAml (associada ao MIT), utiliza MOFs para garrafas de água pessoais que se recarregam a partir da umidade do ar. O fato de os MOFs funcionarem em baixa umidade também significa que podem ser usados para desumidificação passiva em sistemas HVAC, tornando o resfriamento mais eficiente ao secar o ar sem serpentinas de condensação cas.org.
O coletor de água com MOF é um excelente exemplo de como esses materiais podem atender a necessidades humanitárias e adaptação climática. Em áreas com fontes de água contaminadas, dispositivos com MOF poderiam fornecer água potável com infraestrutura mínima. Eles também são modulares em escala – é possível implantar centenas de unidades de MOF para atender uma comunidade, ou uma única unidade para uma família. Pesquisadores até imaginam garrafas de água autossuficientes para trilheiros e geradores de água para tropas em campo, todos movidos por MOFs e luz solar. Embora o custo e a ampliação da produção sejam os próximos desafios, o progresso até agora é extremamente promissor. Como brincou um artigo, dispositivos de MOF que extraem água do ar fazem parecer “química beirando a magia”, transformando algo tão insubstancial quanto o ar em um dos recursos mais essenciais da vida. Com as mudanças climáticas tornando as secas mais frequentes, tais tecnologias podem ser divisores de águas para a segurança hídrica e uma aplicação inspiradora de materiais avançados para o bem social.
Outros usos emergentes (Catálise, baterias e mais)
Além das aplicações principais mencionadas acima, os MOFs estão mostrando sua versatilidade em muitos outros campos. Sua alta área superficial, capacidade de ajuste e habilidade de incorporar metais ativos ou grupos funcionais os tornam ideais para catálise – acelerando reações químicas. Os MOFs podem servir como catalisadores ou como precursores de materiais catalíticos. Por exemplo, MOFs com sítios metálicos abertos têm sido usados para catalisar a conversão de CO₂ em combustíveis, e materiais derivados de MOFs (como estruturas de carbono que retêm metal de um MOF) apresentaram excelente desempenho em eletrocatálise (por exemplo, para redução de oxigênio em células a combustível) cas.org. Um estudo descobriu que nanotubos de carbono dopados com nitrogênio derivados de um MOF apresentaram “atividade eletrocatalítica e estabilidade aprimoradas” para eletrólise da água em comparação com catalisadores padrão cas.org. A capacidade de projetar a estrutura atômica de um catalisador via MOFs (às vezes chamada de “nano-moldagem”) é muito atraente na química verde e em processos industriais.
Os MOFs também estão sendo explorados em dispositivos de armazenamento de energia. Pesquisadores estão testando MOFs como materiais de eletrodo em baterias de íon-lítio, onde a estrutura porosa pode acomodar íons de lítio e potencialmente melhorar a capacidade ou a velocidade de carregamento cas.org. Alguns MOFs (ou seus derivados) têm sido investigados como materiais para supercapacitores para armazenamento rápido de energia cas.org. Embora a maioria dos MOFs seja isolante, uma nova subclasse de MOFs condutores surgiu, que pode transportar elétrons e pode ser usada em eletrônica ou sensores. Existem até MOFs com propriedades magnéticas ou ferroelétricas intrínsecas sendo estudados para dispositivos funcionais avançados.
Outra área que está vendo inovação com MOFs é a separação e purificação de gases na indústria química. Mencionamos a captura de carbono, mas os MOFs também podem ser usados em outras separações difíceis – por exemplo, isolar propeno do propano (uma etapa crítica na fabricação de plásticos) ou remover impurezas do gás natural. Empresas como a UniSieve desenvolveram membranas à base de MOF que atuam como peneiras moleculares, realizando separações energeticamente eficientes. Em um caso, uma membrana de MOF foi capaz de separar propeno com 99,5% de pureza do propano businesswire.com, oferecendo uma alternativa potencial de baixo consumo energético à destilação (que normalmente consome muita energia para tais separações). Da mesma forma, filtros de MOF estão sendo explorados para reciclagem de refrigerantes, purificação de solventes industriais e até mesmo para limpeza de resíduos nucleares (capturando iodo ou xenônio radioativo).
No campo da eletrônica e sensores, pesquisadores desenvolveram filmes finos à base de MOF que são seletivos para certos gases, potencialmente para criar novos tipos de sensores de gás ou até mesmo membranas para células a combustível. Remediação ambiental é outro nicho – MOFs podem capturar poluentes como PFAS (“químicos eternos”) da água devido à sua adsorção ajustável, e alguns MOFs fotocatalíticos podem degradar poluentes orgânicos sob luz.
Por fim, os MOFs têm alguns usos potenciais curiosos, porém intrigantes: que tal tecidos de MOF que absorvem odores ou agentes químicos (para roupas de proteção)? Ou revestimentos de MOF em geladeiras para absorver etileno e manter os alimentos frescos por mais tempo? Todas essas ideias estão sendo testadas. O ponto principal é que os MOFs representam um material plataforma: assim como os polímeros ou o silício encontraram inúmeros usos, os MOFs são um canivete suíço no mundo dos materiais. Como colocou uma análise de mercado, “As propriedades excepcionais dos MOFs – incluindo áreas superficiais recordes, poros ajustáveis e química personalizável – estão possibilitando soluções para alguns dos desafios mais urgentes da sociedade.” businesswire.com Do ar e água limpos à energia limpa e saúde, os MOFs têm sua marca em uma ampla gama de inovações.
Panorama Global: Pesquisa, Patentes e Comercialização no Mundo
A empolgação em torno dos MOFs é verdadeiramente global. Após os avanços iniciais nos EUA (o trabalho do Professor Yaghi na UC Berkeley e UCLA) e no Japão (as descobertas independentes de MOFs do Professor Susumu Kitagawa em Kyoto), a pesquisa se espalhou rapidamente pela América do Norte, Europa, Ásia e além. Os Estados Unidos continuam sendo uma potência em inovação de MOFs, com universidades líderes (Berkeley, MIT, Northwestern, etc.), laboratórios nacionais e empresas impulsionando as fronteiras. Diversas startups americanas, muitas vezes originadas de laboratórios acadêmicos, estão comercializando MOFs: NuMat Technologies (Illinois) foca em armazenamento de gases e já vendeu cilindros de gás equipados com MOF (o ION-X) que armazenam gases tóxicos para a indústria de semicondutores de forma mais segura, em condições subatmosféricas businesswire.com. A NuMat também relata uma capacidade de produção de ~300 toneladas/ano de MOFs em suas instalações businesswire.com. Mosaic Materials na Califórnia (mencionada anteriormente para captura de CO₂) e Transaera (Massachusetts, para refrigeração) são outros empreendimentos americanos notáveis. O gigante industrial BASF na Alemanha foi um dos primeiros a investir fortemente em MOFs; aumentou a produção de MOFs na década de 2010 (produzindo um MOF à base de cobre em quantidades de toneladas) e agora possui uma capacidade anual de produção de várias centenas de toneladas em Ludwigshafen businesswire.com. O MOF da BASF (vendido sob o nome Basolite) é até utilizado em alguns produtos comerciais, como vidros isolantes de alta eficiência energética e filtros químicos. A Europa possui uma forte rede acadêmica em MOFs (por exemplo, a UE organiza conferências como a EuroMOF), e a União Europeia financiou projetos como MOST-H2 (armazenamento de hidrogênio) e AMADEUS (armazenamento de amônia com MOFs) para acelerar a pesquisa aplicada.
A China emergiu como uma prolífica contribuidora para a ciência dos MOFs na última década. De fato, por métricas de publicação, pesquisadores chineses respondem por uma grande parcela dos novos artigos e patentes sobre MOFs – em áreas que vão da captura de carbono à entrega de medicamentos. Um estudo bibliométrico observou que “a China fez contribuições significativas e ocupa uma posição de liderança em MOFs na pesquisa sobre câncer” pmc.ncbi.nlm.nih.gov, para citar um exemplo. Grandes instituições chinesas como a Universidade de Jilin, Universidade de Nankai e a Academia Chinesa de Ciências possuem centros dedicados a MOFs explorando desde baterias baseadas em MOFs até catalisadores de CO₂ para combustíveis. O impulso do governo chinês pela neutralidade de carbono até 2060 estimulou o interesse em MOFs para tecnologias de descarbonização. Embora a China ainda não tenha tantas startups de MOFs conhecidas globalmente, possui uma forte colaboração entre indústria e academia. Notavelmente, a China lidera em armazenamento de metano baseado em MOFs para veículos (uma área onde tanques preenchidos com adsorventes podem permitir que veículos a gás natural armazenem mais combustível sob menor pressão) e está pesquisando MOFs para capturar emissões industriais em seus programas nacionais de CCUS.
Outras regiões também estão ativas: o Japão continua contribuindo (com pesquisas de pioneiros como Kitagawa e trabalhos mais recentes em MOFs condutores), a Coreia do Sul tem empresas como a framergy (que faz parcerias com grupos internacionais para comercializar MOFs), e a Austrália abriga o ARC Centre of Excellence in Exciton Science, que pesquisa MOFs para detecção e fotocatálise. No Oriente Médio, a KAUST da Arábia Saudita é um polo de pesquisa em MOFs (eles registraram patentes sobre captura de carbono com MOFs, como mencionado) cas.org, e países como Emirados Árabes Unidos e Catar têm interesse em MOFs para dessalinização de água e separação de gases, alinhando-se com suas necessidades.
Importante, o desenvolvimento de MOFs não está mais restrito ao laboratório. Patentes e produtos comerciais estão em ascensão. Uma análise do Chemical Abstracts Service no final de 2024 destacou que, enquanto as publicações sobre MOFs explodiram, “o crescimento das publicações de patentes sugere que uma comercialização mais ampla dessa tecnologia é iminente.” cas.org Em particular, a CAS observou uma atividade significativa de patentes em aplicações relacionadas à descarbonização (captura de carbono, energia, armazenamento de gases) e também em áreas como água limpa e sensores cas.org. Isso indica que empresas e institutos estão protegendo inovações baseadas em MOFs enquanto se preparam para a implantação no mundo real. Em 2024, apenas alguns produtos habilitados por MOFs estavam totalmente comercializados businesswire.com – exemplos incluem os filtros de CO₂ da Svante, os recipientes de gás da NuMat, alguns dispositivos de purificação de ar de nicho e uma linha de pacotes de controle de umidade à base de MOF. Mas parece que estamos em um ponto de inflexão. “O mercado global de MOFs está atualmente passando por uma transição crítica da pesquisa acadêmica para a aplicação industrial,” observa um relatório da ResearchAndMarkets, que projeta que a indústria crescerá cerca de 30% ao ano daqui em diante businesswire.com. Até 2035, as aplicações de MOFs podem se tornar um mercado de vários bilhões de dólares, especialmente impulsionado por captura de carbono, armazenamento de hidrogênio, coleta de água e separações químicas businesswire.com.
O lado da fabricação também está crescendo: cerca de 50 empresas em todo o mundo agora produzem MOFs, embora grande parte da capacidade esteja concentrada em poucos players (como BASF e NuMat) businesswire.com. Os desafios que enfrentam incluem escalar a produção de gramas em laboratório para toneladas industriais mantendo a qualidade, e fazer isso de forma econômica businesswire.com. De forma animadora, há progresso sendo feito – os custos vêm caindo à medida que as técnicas melhoram, e as empresas desenvolveram métodos de produção contínua (em oposição à síntese lenta em batelada) para fabricar MOFs em maiores quantidades businesswire.com. Por exemplo, a Promethean Particles no Reino Unido usa um reator de fluxo para produzir MOFs e outros nanomateriais, e a novoMOF na Suíça oferece fabricação contratada de MOFs em escala. Esses desenvolvimentos indicam que, se surgir uma grande demanda (por exemplo, milhares de toneladas para unidades de captura de carbono), o lado da oferta estará pronto para atendê-la.A colaboração internacional também é evidente: cientistas de diferentes países frequentemente coassinam artigos sobre MOFs, e há conferências globais (por exemplo, MOF2023 em Melbourne, MOF2024 em Vancouver) que reúnem a comunidade. Isso ajuda a disseminar as melhores práticas e evitar esforços duplicados, dado o enorme espaço químico dos MOFs.
Perspectiva: Por que os MOFs são importantes para um futuro sustentável
Como vimos, os MOFs estão na interseção entre ciência de materiais avançados e resolução de problemas do mundo real. Eles são frequentemente considerados um “divisor de águas” para a sustentabilidade porque possibilitam processos que antes eram inviáveis ou ineficientes. A captura de carbono é um exemplo principal – ao tornar menos intensivo em energia a remoção do CO₂, os MOFs podem permitir uma implantação mais ampla da captura de carbono em usinas e fábricas, reduzindo significativamente as emissões de gases de efeito estufa. O armazenamento de energia limpa é outro: os MOFs podem finalmente tornar o hidrogênio (e talvez outros gases como o metano) práticos como combustíveis limpos ao resolver o problema do armazenamento. Em água limpa, os MOFs literalmente criam água do ar ou purificam água de forma barata, enfrentando a escassez e a contaminação sem grandes infraestruturas. Em cuidados de saúde, os MOFs trazem esperança para a entrega direcionada de medicamentos e diagnósticos sensíveis, potencialmente salvando vidas com terapias mais inteligentes. E em toda a química industrial, os MOFs oferecem processos de separação e catálise mais eficientes em termos energéticos, o que pode reduzir a pegada de carbono da produção de produtos químicos do dia a dia.
É raro uma classe de materiais impactar tantos setores – e é por isso que os MOFs são frequentemente comparados ao “próximo silício” ou “próximo plástico” em termos de potencial transformador. Eles representam uma nova maneira de construir materiais de baixo para cima com precisão (o que lhes rendeu uma comparação com LEGO ou Tinkertoys em nível molecular). Essa abordagem de design reticular era principalmente teórica há algumas décadas; agora é um kit de ferramentas prático adotado por químicos e engenheiros em todo o mundo.
Especialistas acreditam que estamos à beira de os MOFs deixarem de ser curiosidades de laboratório para se tornarem materiais de trabalho onipresentes incorporados em várias tecnologias. “Com todas as suas aplicações potenciais, os MOFs estão impulsionando avanços importantes em alguns dos nossos campos científicos mais desafiadores,” escreveu um analista da ACS, acrescentando que melhorias em IA e aprendizado de máquina estão acelerando a triagem de MOFs, “o que significa que mais avanços e usos comerciais podem estar próximos.” cas.org O cronograma para os MOFs chegarem ao mercado já está encurtando: enquanto o primeiro MOF foi criado em 1995, levou até a década de 2020 para os primeiros usos comerciais aparecerem, mas podemos ver dezenas de produtos habilitados por MOF nos próximos anos. Gigantes da indústria estão atentos – empresas de petróleo e gás veem os MOFs para processamento mais limpo, empresas de tecnologia olham para MOFs em filtros de ar para data centers, e montadoras se interessam por tanques de hidrogênio de MOF e removedores de CO₂ para o ar da cabine.
Globalmente, o apoio à pesquisa e implementação de MOFs está alinhado com prioridades urgentes como ação climática, desenvolvimento sustentável e manufatura avançada. Governos e investidores estão financiando startups e projetos-piloto de MOFs, reconhecendo que esses materiais podem dar ao seu país uma vantagem competitiva em tecnologia limpa. Nos EUA e na Europa, MOFs aparecem em roteiros para captura de carbono e armazenamento de hidrogênio. Os mais recentes planos quinquenais da China enfatizam novos materiais e sustentabilidade – áreas que são especialidades dos MOFs. Organizações internacionais também estão envolvidas: por exemplo, a captura de carbono baseada em MOFs foi destacada em recentes conferências de CCUS decarbonfuse.com, e a coleta de água com MOFs foi abordada por mídias como BBC e Scientific American, trazendo atenção pública para essas inovações.
Claro, ainda existem desafios. Os custos de fabricação e a escalabilidade precisam continuar melhorando (embora, como mencionado, progressos significativos estejam ocorrendo nesse sentido businesswire.com). A estabilidade de longo prazo dos MOFs em condições reais (expostos a impurezas, passando por muitos ciclos) precisa ser comprovada caso a caso. E cada aplicação deve enfrentar a concorrência de outras tecnologias (por exemplo, a captura de carbono com MOFs pode superar novos sistemas de solventes ou membranas? Os coletores de água com MOFs podem superar a dessalinização tradicional em larga escala?). Essas questões serão respondidas nos próximos anos por meio de projetos de demonstração e análises econômicas. Os primeiros sinais são animadores: onde os MOFs se destacam, eles realmente se destacam – oferecendo capacidades inigualáveis por alternativas (por exemplo, nenhum outro material pode capturar água a 10% de umidade de forma tão eficiente, ou armazenar tanto hidrogênio em uma forma tão leve).
Em conclusão, os MOFs ilustram o poder da inovação química para enfrentar desafios globais. Eles começaram como uma curiosidade em laboratórios de química e evoluíram para uma plataforma com potencial para tornar a indústria mais limpa, a energia mais sustentável e recursos como a água mais acessíveis. O esforço mundial para desenvolver MOFs – de startups americanas a universidades chinesas, consórcios de pesquisa europeus a laboratórios do Oriente Médio – destaca um otimismo compartilhado nesses materiais. Como um relatório resumiu de forma sucinta, os MOFs estão “transitando de curiosidade científica para realidade comercial,” resolvendo problemas em captura de carbono, água, energia e mais businesswire.com. Se as tendências atuais continuarem, os MOFs podem em breve estar trabalhando silenciosamente nos bastidores em muitos aspectos da vida cotidiana, ajudando a concretizar um mundo mais verde e avançado. Da próxima vez que você tomar um gole de água no deserto, dirigir um carro a hidrogênio ou respirar um ar mais limpo em uma cidade, uma estrutura metal-orgânica pode ser parte do motivo.
Fontes: Pesquisas recentes e comentários de especialistas sobre MOFs foram extraídos de importantes periódicos científicos, comunicados de imprensa universitários e relatórios do setor, incluindo 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 Businesswire businesswire.com, CORDIS (UE) cordis.europa.eu, e análises de mercado businesswire.com, entre outros. Essas fontes destacam o consenso de que os MOFs são uma plataforma inovadora na ciência dos materiais, com impacto prático em rápido crescimento.
