En los últimos años, los marcos metal-orgánicos, más conocidos como MOFs (Metal-Organic Frameworks), han pasado de ser un tema casi exclusivo de la química académica a ocupar titulares en medios científicos generalistas. El motivo no es solo su enorme versatilidad como materiales porosos, sino también el reconocimiento institucional que han recibido, culminando con el Premio Nobel de Química concedido a Omar M. Yaghi junto a Richard Robson y Susumu Kitagawa. Los MOFs son estructuras cristalinas formadas por nodos metálicos y ligandos orgánicos que generan redes tridimensionales con una porosidad extraordinaria. En términos cuantitativos, algunos de estos materiales superan los 2.000 metros cuadrados de superficie interna por gramo, una cifra que los sitúa muy por encima de la mayoría de materiales tradicionales. Esta característica los convierte en candidatos idóneos para aplicaciones tan diversas como la captura de dióxido de carbono, el almacenamiento de gases energéticos o la obtención de agua potable a partir del aire. Aunque el concepto pueda parecer abstracto, ya existen prototipos funcionales y productos en fase avanzada de desarrollo que demuestran que esta tecnología ha empezado a salir del laboratorio.

Qué son los marcos metal-orgánicos y por qué generan tanto interés

Los MOFs pertenecen a una familia de materiales cristalinos diseñados a partir de unidades modulares bien definidas. En su forma más básica, un MOF combina iones o clústeres metálicos —como zinc, cobre o aluminio— con moléculas orgánicas que actúan como enlaces rígidos. El resultado es una red periódica con cavidades internas de tamaño nanométrico. Esta estructura permite que gases y vapores se introduzcan y queden adsorbidos en su interior, un proceso gobernado por interacciones físicas y químicas que pueden ajustarse con gran precisión.

Desde el punto de vista técnico, la principal ventaja de estos materiales es su área superficial específica. Mientras que un carbón activado típico puede rondar los 1.000 m²/g, algunos MOFs superan ampliamente esa cifra, alcanzando valores medidos experimentalmente mediante adsorción de nitrógeno que se sitúan entre 2.000 y 7.000 m²/g en casos extremos. Esta enorme superficie accesible es la que permite una alta capacidad de captura molecular, algo clave para procesos de separación y almacenamiento.

En este punto suele surgir la comparación con otros materiales avanzados como el grafeno. El grafeno, con su estructura bidimensional de átomos de carbono y propiedades eléctricas y mecánicas excepcionales, también presenta una superficie específica muy elevada, teóricamente cercana a los 2.630 m²/g. Sin embargo, a diferencia de los MOFs, el grafeno no es intrínsecamente poroso en tres dimensiones. Esto hace que ambos materiales no sean competidores directos, sino más bien complementarios: el grafeno destaca en aplicaciones electrónicas, sensores y refuerzo estructural, mientras que los MOFs están optimizados para la captura y liberación selectiva de moléculas en volumen.

Omar Yaghi y la química reticular como enfoque de diseño

Omar M. Yaghi es uno de los principales responsables de que los MOFs pasaran de ser una curiosidad estructural a una plataforma de diseño químico sistemático. Su contribución más relevante ha sido el desarrollo del concepto de química reticular, una estrategia que permite ensamblar estructuras extendidas a partir de bloques moleculares rígidos de forma predecible. Este enfoque contrasta con métodos más empíricos, ya que se basa en principios geométricos y químicos bien definidos.

Uno de los ejemplos más conocidos de este trabajo es el MOF-5, una estructura basada en zinc y ácido tereftálico que se convirtió en un referente temprano por su elevada porosidad y estabilidad estructural. MOF-5 demostró que era posible obtener materiales altamente porosos con una red cristalina bien ordenada, algo que durante años se consideró difícil de mantener fuera de condiciones de laboratorio muy controladas. Una descripción detallada de este material puede consultarse en https://en.wikipedia.org/wiki/MOF-5.

El Premio Nobel de Química concedido en 2025 reconoce precisamente esta transición desde la síntesis puntual de materiales hacia un marco conceptual que permite diseñarlos con objetivos funcionales claros. El comunicado oficial del Nobel subraya que este trabajo ha dado lugar a decenas de miles de estructuras distintas, muchas de ellas con propiedades ajustadas para aplicaciones específicas.

Aplicaciones reales: del carbono al agua

Una de las áreas donde los MOFs están mostrando mayor potencial es la captura y separación de dióxido de carbono. Desde un punto de vista cuantitativo, algunos MOFs pueden adsorber varios milimoles de CO₂ por gramo de material a presiones relativamente bajas, y mantener esa capacidad tras múltiples ciclos de uso. Esto los convierte en candidatos interesantes para sistemas de captura post-combustión en plantas industriales, donde la selectividad y la eficiencia energética son factores críticos.

Otro ámbito relevante es el almacenamiento de gases energéticos como el hidrógeno o el metano. El hidrógeno, en particular, plantea desafíos importantes debido a su baja densidad volumétrica. Los MOFs ofrecen una alternativa al almacenamiento a alta presión, ya que pueden retener grandes cantidades de gas en sus poros a presiones más moderadas. Desde el punto de vista de la ingeniería, esto podría traducirse en sistemas más seguros y ligeros para aplicaciones móviles, siempre que se resuelvan cuestiones relacionadas con la estabilidad térmica y la velocidad de carga y descarga.

Quizá una de las aplicaciones más llamativas sea la obtención de agua potable a partir del aire en regiones áridas. Algunos MOFs han demostrado capacidad para adsorber vapor de agua incluso a humedades relativas inferiores al 20 %. En condiciones experimentales, dispositivos basados en estos materiales han logrado producir varios litros de agua al día utilizando únicamente ciclos térmicos impulsados por energía solar. Este enfoque ha sido ampliamente discutido en medios científicos, incluido el artículo original de New Scientist.

Retos técnicos y limitaciones actuales

A pesar de su potencial, los MOFs no están exentos de limitaciones. Uno de los principales retos es la escalabilidad. La síntesis de muchos MOFs requiere disolventes orgánicos, temperaturas controladas y tiempos prolongados, lo que puede dificultar su producción a gran escala con costes competitivos. Además, no todos los MOFs mantienen su estructura intacta en presencia de agua, contaminantes o cambios bruscos de temperatura.

Desde un punto de vista técnico, también es necesario comprender mejor la cinética de difusión dentro de los poros. Aunque un MOF pueda adsorber grandes cantidades de una sustancia, la velocidad a la que lo hace puede ser insuficiente para ciertas aplicaciones industriales. Por ello, parte de la investigación actual se centra en combinar MOFs con otros materiales avanzados, incluido el grafeno, para formar compuestos híbridos que mejoren la conductividad térmica, la resistencia mecánica o la estabilidad química sin perder porosidad funcional.

MOFs y grafeno: hacia materiales híbridos funcionales

En los últimos años ha cobrado fuerza una línea de investigación centrada en compuestos híbridos MOF-grafeno, que buscan combinar lo mejor de ambos mundos. En estos sistemas, láminas de grafeno u óxido de grafeno actúan como soporte conductor y mecánicamente robusto, mientras que los MOFs aportan su elevada porosidad y selectividad química. Desde un punto de vista técnico, la incorporación de grafeno puede mejorar significativamente la conductividad eléctrica del conjunto, que en MOFs puros suele ser baja (con valores típicos por debajo de 10⁻¹⁰ S/cm). Además, el grafeno contribuye a disipar mejor el calor y a reforzar la estabilidad estructural durante ciclos repetidos de adsorción y desorción. Experimentalmente, estos compuestos híbridos han mostrado mejoras cuantificables en aplicaciones como sensores de gases, supercondensadores y electrodos para almacenamiento electroquímico, donde se observan incrementos de capacidad específica y una mayor vida útil frente a materiales no híbridos. Esta convergencia sugiere que, más que competir, MOFs y grafeno pueden integrarse en arquitecturas funcionales diseñadas para aplicaciones industriales exigentes.

El papel de la computación y la inteligencia artificial

En los últimos años, la combinación de química computacional e inteligencia artificial ha empezado a desempeñar un papel clave en el desarrollo de nuevos MOFs. Dado que el número de combinaciones posibles de metales y ligandos es enorme, los métodos tradicionales de ensayo y error resultan poco eficientes. Los modelos computacionales permiten predecir propiedades como la porosidad, la afinidad por determinados gases o la estabilidad estructural antes de sintetizar el material.

Un ejemplo reciente de este enfoque es el uso de sistemas de IA para explorar automáticamente grandes bases de datos de estructuras hipotéticas y seleccionar las más prometedoras para aplicaciones concretas, como se describe aquí.

Reflexiones finales

Los marcos metal-orgánicos representan una de las líneas de investigación más sólidas de la química de materiales actual. Su relevancia no radica en sustituir a otros materiales avanzados como el grafeno, sino en ampliar el abanico de soluciones disponibles mediante estructuras tridimensionales diseñadas a escala molecular. La contribución de Omar Yaghi y sus colaboradores ha establecido un método claro para pasar de la teoría a aplicaciones reales, aunque todavía existen desafíos técnicos y económicos por resolver. Todo apunta a que, en los próximos años, los MOFs convivirán con otros materiales punteros en sistemas híbridos destinados a resolver problemas complejos relacionados con energía, agua y sostenibilidad.