Por Manuel Ceballos e Pablo del Pino.
Nos últimos anos, a ciencia desenvolveu materiais con propiedades sorprendentes que poderían revolucionar sectores como a medicina, a enerxía ou a electrónica. Entre eles destacan os MOFs (do inglés metal-organic frameworks), unha nova prolífica familia de materiais porosos descuberta hai menos de tres décadas, formados por redes tridimensionales nas que centros metálicos están coordinados a ligandos orgánicos policomplexantes.
Pódense imaxinar os MOFs como estruturas tridimensionais construídas a partir de dous tipos de “pezas de LEGO” altamente simétricas: por unha banda, os centros metálicos, que actúan como nodos de conexión, e por outro, os ligandos orgánicos, que funcionan como as “pontes” que unen estes nodos. Esta disposición ordenada dá lugar a materiais cunha enorme superficie interna e poros ben definidos.
Para poñelo en perspectiva, a superficie interna dun só gramo dalgúns destes materiais pode superar o 7.000 m², aproximadamente o tamaño dun campo de fútbol. Esta extraordinaria capacidade de albergar moléculas no seu interior fainos útiles nunha gran variedade de aplicacións, como a liberación de fármacos, a eliminación de contaminantes, separación e almacenamento de gases ou a utilización da luz en reaccións químicas, como ocorre na fotocatálise ou na terapia fotodinámica. Grazas á súa versatilidade e propiedades únicas, produto dunha sinerxía entre os nodos metálicos e os ligandos orgánicos, os MOFs están a revolucionar o campo dos materiais avanzados.
Entre eles, os MOFs porfirínicos destacan como unha das variantes máis versátiles, xa que combinan a súa alta estabilidade con propiedades ópticas e catalíticas, o que os fai especialmente interesantes para aplicacións en enerxía, biomedicina e catálise. Con todo, a súa fabricación segue sendo un desafío: os métodos actuais son lentos, complexos e difíciles de reproducir, o que limita o seu uso a gran escala.
Dende o Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS), concretamente o grupo Bionanotools, desenvolvemos un novo método que permite fabricar estes materiais de maneira rápida, eficiente e cun alto grao de control en canto aá cristalinidade, porosidade e tamaño de partícula.
Un problema sen resolver na comunidade científica
A fabricación destes materiais foi un reto para os científicos durante anos. Distintos estudos demostraron que a súa síntese é extremadamente sensible a pequenos cambios nas condicións de reacción, como a humidade ambiental, pureza dos precursores e disolventes ou a proporción de compoñentes na mestura. Isto levou a resultados inconsistentes, con materiais que non sempre presentan as propiedades esperadas. A falta de control sobre o proceso de fabricación foi un obstáculo importante para o seu desenvolvemento industrial e comercial.
En particular, a síntese dalgúns MOFs porfirínicos ben coñecidos resultou difícil de reproducir, o que xerou debate na comunidade científica. Un estudo interlaboratorio recente demostrou que pequenos cambios nos reactivos poden alterar a estrutura final do material, dificultando a súa produción a gran escala.
Imaxe ilustrativa do concepto de MOF | BioNanoTools
Un método máis rápido e preciso
Neste novo estudo, logramos fabricar estes materiais en cuestión de minutos e cun rendemento superior ao 95%, unha mellora significativa en comparación cos métodos convencionais, que poden tardar horas ou mesmo días. Para conseguilo, utilizamos un tipo especial de composto químico que non adoita empregarse na fabricación de MOFs, os alcóxidos de zirconio. Estes precursores permiten acelerar o proceso sen comprometer a calidade do material. Ademais, desenvolvemos un método que nos permite controlar de forma precisa a estrutura do material, evitando impurezas e mellorando a súa estabilidade.
Produción en fluxo: cara a unha fabricación máis eficiente
Un dos avances máis importantes deste estudo é a produción destes materiais en fluxo continuo, unha técnica que permite fabricar o material de forma ininterrompida en lugar de facelo en lotes illados. Esta metodoloxía ten un enorme potencial para a fabricación a escala industrial.
Grazas a esta técnica, conseguimos fabricar nanopartículas dun MOF porfirínicos en só uns segundos e a temperatura ambiente, un fito que non fora posible ata o de agora con outros métodos. A síntese en fluxo non só reduce drasticamente o tempo de produción, senón que tamén mellora a uniformidade e a calidade do material, facendo que o proceso sexa máis escalable e viable para aplicacións industriais.
Un paso adiante na produción de materiais avanzados
Aínda que este método non resolve todos os desafíos na produción de MOFs, si representa un avance importante para facer máis accesible a súa fabricación e estudo. A posibilidade de producir estes materiais de maneira rápida, eficiente e con maior control sobre as súas propiedades abre novas oportunidades para o seu uso en áreas clave como a biomedicina, a enerxía e a nanotecnoloxía.
O traballo liderámolo dende o grupo Bionanotools do CiQUS en colaboración con investigadores do Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) da Universitat de València e a Nantes Université (CNRS, Institut deas Matériaux de Nantes Jean Rouxel) e demostra o potencial das técnicas de sínteses en fluxo e o uso de precursores alternativos para mellorar a fabricación destes materiais. Este enfoque non só optimiza o proceso de produción, senón que tamén senta as bases para o desenvolvemento de novas estratexias na síntese de MOFs, facilitando a súa aplicación na ciencia e na industria do futuro.
Artigo publicado orixinalmente en GCiencia.