Ciencia en la Vida Cotidiana

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La porosidad de un material se define como la proporción del volumen de poros respecto al volumen total. Los Metal-Organic Frameworks (MOFs) se distinguen por su porosidad ultra-alta, superando a otras clases de sólidos porosos. Históricamente, se observó porosidad en zeolitas inorgánicas desde 1896 y en compuestos de coordinación (como los complejos de Werner), aunque la porosidad permanente requiere que las entidades moleculares estén unidas por enlaces fuertes para estabilidad.

La prueba inequívoca de la porosidad permanente en un sólido metal-orgánico extendido se logró por primera vez con MOF-2 en 1998. La evaluación de la porosidad se rige por requisitos de la IUPAC, utilizando isotermas de adsorción de N2 a 77 K. Los materiales se clasifican en microporosos (<2 nm), mesoporosos (2 – 50 nm) y macroporosos (>50 nm).

Un aspecto fundamental de la química de MOFs es el diseño deliberado de porosidad mediante el principio isorreticular. Este principio permite la expansión o funcionalización del enlazador sin alterar la topología, creando marcos con tamaños de poro predefinidos. Para lograr áreas superficiales ultra-altas, se busca maximizar los sitios de adsorción, que se encuentran preferentemente cerca de la Unidad de Construcción Secundaria (SBU) polar. Sin embargo, no existe una correlación directa entre el tamaño del poro y el área superficial.

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La Química Reticular es la disciplina de unir entidades químicas discretas mediante enlaces fuertes para formar estructuras extendidas y cristalinas, como los Metal–Organic Frameworks (MOFs), combinando el control sintético orgánico con la variación inorgánica. Históricamente, el campo se originó en la química de coordinación, cuyas bases sentó Alfred Werner, quien elucidó la disposición espacial de los átomos en los complejos (e.g., número de coordinación 6). Ejemplos tempranos, como los Clatratos de Hofmann (estructuras 2D extendidas de 1897), inspiraron la extensión dimensional, aunque sufrían colapso al remover las moléculas huésped.

El avance crucial hacia los MOFs fue el uso de Unidades de Construcción Secundaria (SBUs), clústeres polinucleares rígidos, y ligantes quelantes cargados. Esta combinación confirió la necesaria estabilidad arquitectónica y porosidad permanente. El hito de MOF-2 (1998) probó la microporosidad permanente. Posteriormente, MOF-5 (1999), construido con SBUs octaédricas, logró una porosidad sin precedentes (61% de volumen libre) y áreas superficiales masivas (hasta 2900 \ m^2 \ g^-1). La arquitectura rígida de MOF-5, basada en bisagras mutuamente perpendiculares, asegura que la estructura no colapse durante la activación.

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La Química Reticular es una disciplina que se ocupa de hacer y romper enlaces de manera controlada, extendiendo la precisión de la síntesis molecular al estado sólido para construir estructuras grandes, extendidas y cristalinas. Su objetivo es diseñar un “plano” para vincular unidades moleculares mediante enlaces fuertes, utilizando la geometría y las métricas (longitud, tamaño y ángulos) de dichas unidades para guiar la síntesis.

Esta química dio origen a los Metal-Organic Frameworks (MOFs) y a los Covalent Organic Frameworks (COFs). Un desafío clave en la química de iones metálicos es su propensión a geometrías variables; la Química Reticular supera esto empleando Unidades de Construcción Secundaria (SBUs), clústeres polinucleares rígidos que fijan la geometría de coordinación.

El uso de SBUs y ligantes multidentados direccionales garantiza que las estructuras resultantes sean inherentemente abiertas, con estabilidad arquitectónica y porosidad permanente. Este control permite la síntesis isorreticular y la modificación post-sintética de los marcos, lo que facilita el diseño de propiedades específicas y métricas de poro. Al fijar moléculas dentro de estas estructuras, la Química Reticular les otorga propiedades adicionales y proporciona un espacio definido donde las moléculas huéspedes pueden ser controladas y manipuladas.

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Los Metal–Organic Frameworks (MOFs) y los Covalent Organic Frameworks (COFs) son clases revolucionarias de materiales que han dado origen a la disciplina de la Química Reticular. Esta nueva química extiende la precisión de la síntesis molecular al estado sólido, permitiendo el diseño y construcción de estructuras cristalinas porosas. A diferencia de la síntesis tradicional de sólidos inorgánicos a altas temperaturas, los MOFs y COFs se crean bajo condiciones suaves, lo que preserva la estructura y reactividad de sus bloques de construcción orgánicos e inorgánicos.

Los MOFs se caracterizan por su porosidad ultra alta (hasta 90% de volumen libre) y sus áreas superficiales masivas, superando los 6,000 m²/g. Es fundamental su capacidad para controlar la conectividad, las métricas y la funcionalidad de la estructura sin alterar su topología subyacente. Estos materiales han demostrado gran utilidad en la resolución de desafíos sociales, con aplicaciones clave en el almacenamiento de gases (como el hidrógeno y el metano), la captura de CO₂, y en el ámbito biomédico para la administración y liberación controlada de fármacos

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Los Metal–Organic Frameworks (MOFs), o polímeros de coordinación porosos, son materiales de alto rendimiento destacados por su tunabilidad precisa y elevadas áreas superficiales. Su diseño puede describirse en cuatro niveles estructurales, desde el ión metálico y el ligando, hasta su morfología externa. El control sobre estas características permite la sintonización de las propiedades para aplicaciones específicas.

En el ámbito ambiental e industrial, se aplican estrategias avanzadas, como la optimización del tamaño del poro y la funcionalización (pre o post-sintética), para mejorar la captura selectiva de CO₂ o la recuperación y almacenamiento de gases anestésicos como el xenón. Las redes con poros más estrechos, por ejemplo, demuestran una retención superior de isoflurano.

Para la administración de fármacos (nanomedicina), los MOFs se usan como vehículos que ofrecen una alta capacidad de carga para moléculas pequeñas o macromoléculas (como proteínas y ácidos nucleicos), y permiten la liberación controlada en entornos biológicos

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Este episodio explora los Metal–Organic Frameworks (MOFs), una clase emergente de materiales porosos, según la revisión de Rowsell y Yaghi de 2004. Estos materiales han captado gran atención debido a sus impresionantes características, como grandes tamaños de poro y altas áreas superficiales aparentes. La síntesis de MOFs se basa en la conexión de bloques de construcción moleculares, utilizando grupos orgánicos rígidos y clústeres inorgánicos inflexibles, conocidos como unidades de construcción secundarias (SBUs). Este enfoque modular permite la adaptación dirigida de sus propiedades, una estrategia denominada síntesis reticular. Los MOFs exhiben captación selectiva de moléculas pequeñas y respuestas funcionales ante la inclusión de huéspedes. La ventaja fundamental de los MOFs es que la funcionalidad (como la quiralidad) puede ser impartida a través del bloque orgánico a escala periódica. Las aplicaciones más prometedoras se centran en el almacenamiento de gases combustibles, como el metano y el hidrógeno, mostrando capacidades mejoradas

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Los Polímeros de Coordinación Porosos (PCPs) son compuestos híbridos moleculares inorgánico–orgánicos que forman redes extensas en una, dos o tres dimensiones (1D, 2D y 3D). Han alcanzado una posición significativa en el área de los materiales porosos, siendo estudiados intensamente por químicos, físicos y científicos de materiales. Los PCPs son interesantes por la creación de nanoespacios y su potencial aplicación en la separación, el almacenamiento y la catálisis heterogénea. La revisión se concentra en tres aspectos clave: la construcción de marcos porosos mediante ingeniería de cristales (“nano-space engineering”), la caracterización de sus propiedades (para almacenamiento y separación) y el desarrollo de funciones porosas de próxima generación basadas en transformaciones cristalinas dinámicas. Estos materiales ofrecen alta porosidad y marcos estructurales altamente diseñables a través de un método “bottom-up”

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Esta entrada del podcast de Ciencia en la Vida Cotidiana, el ganador del Nobel de Química 2025 nos presenta una crónica personal sobre cómo se desarrollaron históricamente los conceptos para el diseño y construcción de Polímeros de Coordinación (CPs)/MOFs dirigidos. El principio fundamental es la pre-organización—el diseño de la funcionalidad y geometría en los reactivos para que se ensamblen espontáneamente en una estructura intencionada. Esta aproximación se planteó inicialmente mediante conjeturas en los años 70, implementándose experimentalmente a mediados de los 80, y llevando a la introducción del nombre MOFs en los 90. El trabajo exploratorio inicial, como el primer intento exitoso de construir una red tipo diamante altamente espaciosa utilizando bloques pre-organizados, fue crucial. Esta investigación temprana sentó las bases para la explosión subsiguiente en el área CP/MOF, permitiendo la generación de un rango ilimitado de estructuras con propiedades prometedoras

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Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi han ganado el Premio Nobel de Química 2025 por el desarrollo de los Metal–Organic Frameworks (MOFs). Estos materiales se definen como sólidos cristalinos porosos con áreas superficiales increíblemente altas. Su estructura, descrita como “Tinkertoy-like”, utiliza iones metálicos como uniones y moléculas orgánicas como puntales. Es tal su porosidad y capacidad que una porción del tamaño de un terrón de azúcar podría cubrir un campo de fútbol si se extendiera. La versatilidad de los MOFs ha permitido crear más de 100.000 estructuras distintas. Su aplicación es crucial para resolver problemas humanos críticos, abarcando desde la captura de dióxido de carbono y el almacenamiento de gas hidrógeno, hasta la eliminación de contaminantes como los PFAS del agua. Incluso se comercializan para cosechar agua potable del aire. El campo de los MOFs es una nueva área de la química con potencial para impactar profundamente diversas industrias, incluyendo la lucha contra el cambio climático

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La ingeniería química y la ciencia se basan en mediciones cuantitativas para definir problemas, diseñar soluciones y monitorear el rendimiento, requiriendo un enfoque interdisciplinario. Los análisis abarcan desde métodos gravimétricos y volumétricos básicos hasta técnicas instrumentales avanzadas como la cromatografía de gases (GC) y la espectrometría de absorción atómica (AA). La estadística es fundamental para interpretar estos datos, utilizando promedios, desviaciones estándar y límites de confianza para comprender la incertidumbre.

Las mediciones clave incluyen sólidos (totales, disueltos, suspendidos, volátiles) para evaluar la materia orgánica y la turbidez, la demanda de oxígeno (DBO, DQO, COT) como indicadores de contaminación, y nutrientes como nitrógeno y fósforo, esenciales pero también causantes de eutrofización. Otros parámetros vitales son el pH, alcalinidad, dureza, cloro residual, fluoruro, sulfato, y contaminantes traza como metales y orgánicos sintéticos, que requieren técnicas altamente sensibles por sus bajos límites de salud.

La comprensión de la química general, orgánica, física, de equilibrio y bioquímica es vital para entender el comportamiento de los contaminantes y los procesos de tratamiento, incluyendo la biodegradación y las reacciones redox. Estos conocimientos son cruciales para abordar los desafíos de la contaminación y proteger la salud pública y el medio ambiente.