Por María Ramos, GCiencia
Un grupo de investigación liderado por el Centro de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) ven de reportar un nuevo material metal-orgánico de tipo MOF con conductividad mixta, capaz de conducir electrones y protones simultáneamente. El hallazgo abre la puerta a una nueva generación de materiales con aplicaciones como en el almacenamiento de energía, con el objetivo de mejorar la eficiencia de las baterías. En el estudio (J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.4c13792) colaboró, además, personal científico del Instituto de Materiales CICECO de la Universidade de Aveiro, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), y del Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) de la Universidad de Valencia.
Estudiando los materiale moleculares
Para entender las implicaciones de este avance hace falta ahondar primero en el trabajo del grupo que lidera el investigador principal del artículo, Manuel Souto, profesor de investigación Oportunius en el CiQUS. “Nosotros trabajamos con materiales moleculares”, sintetiza. “Esto quiere decir que hacemos materiales donde los bloques de construcción son moléculas, que podemos diseñar y sintetizar a la carta”.
Estas moléculas se seleccionan de forma muy precisa en base a sus propiedades físicas, para luego ensamblarlas y dar lugar a nuevos materiales que pueden tener diversas aplicaciones: no solo sirven para almacenamiento de energía como en el caso de las baterías, sino también para otros usos, como la electrónica, separación de gases o catálise. Por el momento, el equipo se centra en el estudio de propiedades físicas de estos materiales como la conductividad, las propiedades electroquímicas, ópticas y magnéticas.
Entre los materiales que diseñan hay dos tipos básicos. Por una parte, están los que hacen empleando únicamente moléculas orgánicas, que dan lugar a polímeros puramente orgánicos, conocidos como estructuras covalentes orgánicas (COF, por sus siglas en inglés). Pero además, hay una serie de polímeros híbridos en los que las moléculas orgánicas van unidas a nodos metálicos. Estos últimos formarían los marcos metal-orgánicos, conocidos como MOF por sus siglas en inglés.
El proceso de creación de estos nuevos materiales no está limitado a escoger dos moléculas con las características de interés y unirlas, esperando que el resultado sea la suma de ambas. Las propiedades de ese material resultante dependen tanto de cómo se ensamblen las moléculas como de las características de las mismas. Una capa más de complejidad en un desarrollo que ya no el era en el origen.
Hacia un material más eficiente
Es en este contexto en el que se desarrolla la investigación a través de la que se dio con uno nuevo MOF con capacidad para conducir tanto electrones como protones. El artículo describe una estructura basada en ligandos orgánicos de tetratiafulvaleno (TTF) funcionalizado con grupos fosfonato y iones de lantano, un elemento del grupo de las tierras raras.
“Los MOFs son ahora mismo de los materiales más populares en el campo de la química y ciencia de materiales”, desarrolla Souto. “Son porosos, que significa que tienen volumen vacío en su interior como las esponjas y que pueden encapsular moléculas en sus cavidades”, explica. “Otra característica interesante es que son cristalinos, presentan cierto orden y podemos resolver su estructura mediante difracción de rayos X”. Esto se traduce en una gran versatilidad química estructural con aplicaciones en el almacenamiento y separación de gases, en la catálise y también en la energía y electrónica. Aunque en estos últimos campos hay matices.
“Para que estos materiales sean útiles en energía o electrónica, también tienen que ser capaces de conducir la electricidad”, expone Souto. “El problema es que la mayoría son aislantes, no conducen electricidad. Entonces hacen falta una serie de estrategias para que puedan conducir la electricidad”.
Souto hace un inciso para distinguir dos tipos de conductividad. “Una sería la conductividad electrónica, el transporte de electrones a través de este material, y otra sería el transporte de iones, la conductividad iónica”. Los dos tipos son necesarios en el desarrollo de nuevos materiales que puedan emplearse como electrodos en dispositivos de almacenamiento de energía. “Entonces tenemos que maximizar ambas conductividades en paralelo para que sean eficientes en este tipo de dispositivos”.
Esto es lo que se refleja en la investigación que lidera. “Hasta la fecha se habían estudiado de forma independiente las dos conductividades en los materiales de tipo MOF”, señala. “En este estudio unimos las dos estrategias para que un único material sea capaz de conducir de forma simultánea electrones y protones”. Como se concluye en el artículo, los resultados demuestran el potencial de integrar bloques electroactivos junto con grupos fosfonatos para el desarrollo de conductores iónicos-electrónicos mixtos.
Siguientes pasos
“Esta investigación es como una prueba de concepto de que es posible que un material MOF tenga esta mezcla de dos conductividades, electrónica y iónica”, resume Souto. “El siguiente paso sería desarrollar una nueva familia de materiales basados en este concepto, que presenten otras propiedades ventajosas para usarlos como electrodos, por ejemplo”.
El grupo está actualmente a explorar materiales similares, pero con una mayor densidad energética, “una mayor capacidad para acumular energía”. El trabajo se centra en una familia de nuevos materiales MOF que sean capaces de presentar esta conductividad mixta y que además se puedan aplicar a baterías, “también enfocados en la investigación para mejorar el rendimiento electroquímico de estos materiales”.
“Esta conductividad mixta ya había sido observada en otros materiales orgánicos”, desarrolla el investigador. “La principal ventaja de los materiales de tipo MOF es su gran versatilidad química y estructural, es decir, tenemos casi infinitas posibilidades de combinación”. Mezclando moléculas orgánicas y nodos metálicos, se llega la esas múltiples variantes. Esta es la versatilidad que permite “ir mejorando con pequeñas modificaciones las propiedades de nuestros materiales a través del diseño químico. En otro tipo de materiales más convencionales no tenemos esta capacidad”, apunta. “Aquí, simplemente cambiando una molécula por otra dentro de la estructura, ya podemos alterar de forma significativa las propiedades de estos materiales”.
Una apuesta por la sostenibilidad
El potencial de estos nuevos materiales ve más allá de una cuestión de capacidad. “No nuestro grupo trabajamos siempre con materiales moleculares electroactivos”, explica Souto, “que utilizamos continuamente para aplicaciones en almacenamiento de energía, como electrodos en baterías de litio, pero también en las llamadas a ser la siguiente generación de baterías post-litio, como baterías de sodio, de magnesio o de aluminio.
En esta elección hay un componente ético. “En otra línea de acción paralela utilizamos materiales puramente orgánicos, que están basados en elementos abundantes”. En las baterías de litio, los cátodos son habitualmente de cobalto. El uso de este material tiene importantes implicaciones, ya que no solo es escaso sino que su extracción está ligada a problemas ambientales y prácticas de minería poco éticas. Al buscar cómo sustituirlo por componentes orgánicos que no sufran de estas limitaciones, el grupo hace una apuesta de futuro. “Hacemos materiales para baterías más sostenibles”, concluye Souto.
Ilustración: Eugenio Vázquez