MOFs: los ‘LEGOs’ flexibles de la química para construir un futuro sostenible

El Premio Nobel de Química 2025, concedido a Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar Yaghi, ha puesto el foco en una de las familias de materiales más fascinantes de la ciencia moderna: las redes metal-orgánicas (MOFs por las siglas en inglés de Metal-Organic Frameworks). Este reconocimiento no solo celebra el trabajo de tres pioneros, sino también la consolidación de una idea que ha transformado la manera de diseñar materiales desde la escala atómica: la posibilidad de construir estructuras complejas a partir de bloques moleculares, pieza a pieza como si se tratara de un juego de LEGOs moleculares.

Los MOFs son redes porosas en una, dos o tres dimensiones, formadas por nodos metálicos y enlaces orgánicos que se ensamblan como bloques de construcción químicos, dando lugar a estructuras con una red interna de poros, comparables a un panal, pero diseñadas con precisión atómica. Pueden llegar a ser tan porosos que en un gramo de estos materiales puede albergarse la superficie de un campo de fútbol.

Sin embargo, a diferencia de los LEGOs tradicionales, los MOFs son flexibles y adaptables. Pueden expandirse, contraerse o cambiar su forma al interactuar con otras moléculas como líquidos y gases, como si respiraran, lo que los convierte en materiales vivos en cierto modo, capaces de adaptarse a su entorno. Por eso a mí me recuerdan más al juego de bolitas y palitos magnéticos al que tanto jugaba de pequeña, creando estructuras flexibles sin saber que un día estaría haciéndolo a escala molecular en el laboratorio.

El camino hacia esta revolución comenzó en 1989, cuando Richard Robson demostró que era posible conectar unidades metálicas mediante ligandos orgánicos para crear las primeras arquitecturas modulares de tipo MOF. Aunque las estructuras iniciales eran inestables y no conservaban su porosidad, su trabajo inspiró el nacimiento de una nueva generación de materiales. A finales de los años noventa, Omar Yaghi y Susumu Kitagawa lograron, de forma independiente, sintetizar MOFs estables con alta porosidad permanente, sentando las bases para controlar sus propiedades a medida. Yaghi, quien además recibió el Premio Fronteras del Conocimiento de la Fundación BBVA en 2017, demostró que era posible construir MOFs cristalinos predecibles combinando bloques moleculares diseñados y acuñó el concepto de reticular chemistry, o química de redes: al modificar la longitud del ligando orgánico, se podía ajustar el tamaño de los poros del material. Simultáneamente, Kitagawa reveló el potencial dinámico de los MOFs al estudiar su capacidad para almacenar gases, descubriendo que podían comportarse como estructuras flexibles y adaptables. Tampoco podemos olvidar el papel del fallecido Gérard Férey, quien desarrolló la familia de MOFs MIL, combinando la síntesis racional con una comprensión estructural profunda.

A lo largo de las últimas décadas, los MOFs nos han enseñado que la química no solo crea moléculas, sino que también es un arte de arquitectura que permite crear estructuras capaces de transformar el mundo. La capacidad de diseñar su espacio vacío ha proporcionado un sinfín de aplicaciones a los MOFs, ya que estas esponjas moleculares son capaces de absorber, transformar y liberar moléculas de manera selectiva. Por ello, su aplicación va desde el almacenamiento de gases como el hidrógeno o el CO₂, hasta la captura selectiva de contaminantes, la extracción de agua de la atmósfera, la liberación controlada de fármacos, o la catálisis sostenible de reacciones químicas esenciales, incluyendo la generación de hidrógeno a partir de agua. ¡Y estos son sólo algunos ejemplos!

Por ello, hoy los MOFs no son solo un campo fascinante de investigación básica: son una plataforma tecnológica con impacto real. Desde mi punto de vista, el desafío de este campo en plena expansión es diseñar estructuras con heterogeneidad compleja, controlar sus defectos y propiedades específicas, y escalar su producción de forma sostenible. Quizás, un día seremos capaces de controlar su estructura atómica y funcionalización con una precisión que nos permita almacenar información codificada en su estructura o puede que incluso los veremos a los MOFs evolucionar. Su potencial es fascinante.

En mi grupo de investigación, en el marco de mi Beca Leonardo de la Fundación BBVA, trabajamos en el desarrollo de MOFs capaces de captar nitratos del agua de forma selectiva y eficiente. Una de las claves de nuestro enfoque es la combinación del control de los defectos estructurales con la heterogeneidad con el método de modulación multivariante. Curiosamente, introducir defectos —como dejar una pieza de LEGO a medio encajar o un palito magnético sin imán— puede generar nuevos comportamientos y propiedades: aumentar la porosidad, conductividad y reactividad, favorecer la adsorción de moléculas específicas o permitir que distintas reacciones ocurran simultáneamente dentro del mismo material. En el proyecto Leonardo, incorporamos ligandos con menos puntos de coordinación que los enlazadores orgánicos, logrando, en un único paso sintético, introducir múltiples funcionalidades con interacciones específicas con los nitratos, mientras aumentamos la porosidad de los MOFs gracias a la ingeniería de defectos, dando lugar a MOFs más eficientes para la limpieza del agua.

Hoy, mientras exploramos nuevos MOFs y aplicaciones, y escalamos su producción de manera sostenible, debemos agradecer a Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar Yaghi, cuyo trabajo pionero y visión nos abrieron el camino para convertir los MOFs en esta fascinante herramienta de la ciencia moderna. Gracias a ellos, átomo a átomo, la ciencia se convierte en un arte que nos permite construir soluciones a problemas reales, desde la escasez de agua a la generación y almacenamiento de energía, pasando por la limpieza del aire y la liberación dirigida de fármacos, y así, contribuir a diseñar un futuro más seguro y sostenible.

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