Por María Ramos, GCiencia
Un grupo de investigación liderado polo Centro de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) da Universidade de Santiago de Compostela ven de reportar un novo material metal-orgánico de tipo MOF con condutividade mixta, capaz de conducir electróns e protóns simultaneamente. O achado abre a porta a unha nova xeración de materiais con aplicacións como no almacenamento de enerxía, co obxectivo de mellorar a eficiencia das baterías. No estudo (J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.4c13792) colaborou, ademais, persoal científico do Instituto de Materiais CICECO da Universidade de Aveiro, do Instituto Tecnolóxico de Massachusetts (MIT), e do Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) da Universidad de Valencia.
Estudando os materiais moleculares
Para entender as implicacións deste avance cómpre afondar primeiro no traballo do grupo que lidera o investigador principal do artigo, Manuel Souto, quen é profesor de investigación Oportunius no CiQUS. “Nós traballamos con materiais moleculares”, sintetiza. “Isto quere dicir que facemos materiais onde os bloques de construción son moléculas, que podemos deseñar e sintetizar á carta”.
Estas moléculas selecciónanse de forma moi precisa en base ás súas propiedades físicas, para logo ensamblalas e dar lugar a novos materiais que poden ter diversas aplicacións: non só serven para almacenamento de enerxía como no caso das baterías, senón tamén para outros usos, como a electrónica, separación de gases ou catálise. Polo momento, o equipo céntrase no estudo de propiedades físicas destes materiais como a condutividade, as propiedades electroquímicas, ópticas e magnéticas.
Entre os materiais que deseñan hai dous tipos básicos. Por unha banda, están os que fan empregando unicamente moléculas orgánicas, que dan lugar a polímeros puramente orgánicos, coñecidos como estruturas covalentes orgánicas (COF, polas súas siglas en inglés). Pero ademais, hai unha serie de polímeros híbridos nos que as moléculas orgánicas van unidas a nodos metálicos. Estes últimos formarían os marcos metal-orgánicos, coñecidos como MOF polas súas siglas en inglés.
O proceso de creación destes novos materiais non está limitado a escoller dúas moléculas coas características de interese e unilas, esperando que o resultado sexa a suma de ambas. As propiedades dese material resultante dependen tanto de como se ensamblen as moléculas como das características das mesmas. Unha capa máis de complexidade nun desenvolvemento que xa non o era na orixe.
Cara un material máis eficiente
É neste contexto no que se desenvolve a investigación a través da que se deu cun novo MOF con capacidade para conducir tanto electróns como protóns. O artigo describe unha estrutura baseada en ligandos orgánicos de tetratiafulvaleno (TTF) funcionalizado con grupos fosfonato e iones de lantano, un elemento do grupo das terras raras.
“Os MOFs son agora mesmo dos materiais máis populares no campo da química e ciencia de materiais”, desenvolve Souto. “Son porosos, que significa que teñen volume baleiro no seu interior como as esponxas e que poden encapsular moléculas nas súas cavidades”, explica. “Outra característica interesante é que son cristalinos, presentan certo orde e podemos resolver a súa estrutura mediante difracción de raios X”. Isto tradúcese nunha gran versatilidade química estrutural con aplicacións no almacenamento e separación de gases, na catálise e tamén na enerxía e electrónica. Aínda que nestes últimos campos hai matices.
“Para que estes materiais sexan útiles en enerxía ou electrónica, tamén teñen que ser capaces de conducir a electricidade”, expón Souto. “O problema é que a maioría son illantes, non conducen electricidade. Entón fan falta unha serie de estratexias para que poidan conducir a electricidade”.
Souto fai un inciso para distinguir dous tipos de condutividade. “Unha sería a condutividade electrónica, o transporte de electróns a través deste material, e outra sería o transporte de ións, a condutividade iónica”. Os dous tipos son necesarios no desenvolvemento de novos materiais que poidan empregarse como eléctrodos en dispositivos de almacenamento de enerxía. “Entón temos que maximizar ambas condutividades en paralelo para que sexan eficientes neste tipo de dispositivos”.
Isto é o que se reflicte na investigación que lidera. “Ata a data estudáranse de forma independente as dúas condutividades nos materiais de tipo MOF”, sinala. “Neste estudo unimos as dúas estratexias para que un único material sexa capaz de conducir de forma simultánea electróns e protóns”. Como se conclúe no artigo, os resultados demostran o potencial de integrar bloques electroactivos xunto con grupos fosfonatos para o desenvolvemento de condutores iónicos-electrónicos mixtos.
Seguintes pasos
“Esta investigación é como unha proba de concepto de que é posible que un material MOF teña esta mestura de dúas condutividades, electrónica e iónica”, resume Souto. “O seguinte paso sería desenvolver unha nova familia de materiais baseados neste concepto, que presenten outras propiedades vantaxosas para usalos como eléctrodos, por exemplo”.
O grupo está actualmente a explorar materiais similares, pero cunha maior densidade enerxética, “unha maior capacidade para acumular enerxía”. O traballo céntrase nunha familia de novos materiais MOF que sexan capaces de presentar esta condutividade mixta e que ademais se poidan aplicar a baterías, “tamén enfocados na investigación para mellorar o rendemento electroquímico destes materiais”.
“Esta condutividade mixta xa fora observada noutros materiais orgánicos”, desenvolve o investigador. “A principal vantaxe dos materiais de tipo MOF é a súa gran versatilidade química e estrutural, é dicir, temos case infinitas posibilidades de combinación”. Mesturando moléculas orgánicas e nodos metálicos, chégase a esas múltiples variantes. Esta é a versatilidade que permite “ir mellorando con pequenas modificacións as propiedades dos nosos materiais a través do deseño químico. Noutro tipo de materiais máis convencionais non temos esta capacidade”, apunta. “Aquí, simplemente cambiando unha molécula por outra dentro da estrutura, xa podemos alterar de forma significativa as propiedades destes materiais”.
Unha aposta pola sustentabilidade
O potencial destes novos materiais vai máis aló dunha cuestión de capacidade. “No noso grupo traballamos sempre con materiais moleculares electroactivos”, explica Souto, “que utilizamos continuamente para aplicacións en almacenamento de enerxía, como eléctrodos en baterías de litio, pero tamén nas chamadas a ser a seguinte xeración de baterías post-litio, como baterías de sodio, de magnesio ou de aluminio”.
Nesta elección hai un compoñente ético. “Noutra liña de acción paralela utilizamos materiais puramente orgánicos, que están baseados en elementos abundantes”. Nas baterías de litio, os cátodos son habitualmente de cobalto. O uso deste material ten importantes implicacións, xa que non só é escaso senón que a súa extracción está ligada a problemas ambientais e prácticas de minería pouco éticas. Ao buscar como substituílo por compoñentes orgánicos que non sufran destas limitacións, o grupo fai unha aposta de futuro. “Facemos materiais para baterías máis sostibles”, conclúe Souto.
Ilustración: Eugenio Vázquez