MOFs o polímeros híbridos altamente porosos como materiales ultraadsorbentes

El campo de la nanotecnología y más concretamente de los nanomateriales crece de manera exponencial. Entre estos materiales, ocupan un lugar relevante la familia de nanomateriales porosos. Estos materiales tienen en común que son poco densos y presentan una gran área superficial, de manera que ocupando un pequeño espacio presenta una alta disponibilidad de los grupos químicos que llevan a cabo la funcionalidad o aplicación para la cual han sido diseñados. Las redes metal-orgánicas, o MOFs por su acrónimo en inglés (Metal-Organic Frameworks) se engloban dentro de los nanomateriales porosos. Estos constituyen una nueva clase de materiales poliméricos basados en el ensamblaje de iones metálicos a través de bloques moleculares orgánicos mediante enlaces de coordinación. Estos materiales se caracterizan por presentar una elevada cristalinidad y porosidad.

Los materiales porosos tienen una gran importancia porque los poros y cavidades que poseen en sus estructuras permiten la difusión de distintos tipos de moléculas a su través. Históricamente, los materiales porosos inorgánicos como arcillas, zeolitas y silicatos han recibido gran atención y han encontrado numerosas aplicaciones en diversas áreas como el almacenamiento y separación de gases, intercambio iónico o catálisis, entre otras.

En MOFs se han reportado valores de área específica que alcanzan los 8 000 m2/g y actualmente superan la porosidad de las zeolitas y el carbón activo. Lo que diferencia a los MOFs de los materiales porosos mencionados anteriormente, y una de las razones por la que resultan materiales con gran potencial, es su enorme versatilidad. Estos se pueden diseñar de antemano y sintetizar empleando una gran variedad de iones metálicos y moléculas orgánicas. Estas combinaciones permiten escoger su composición química y la topología de la red, y por tanto, el tamaño y la funcionalidad química de los poros.

Todas estas características hacen de ellos materiales potenciales, o ya encuentran aplicación, en sectores tan diversos como la remediación medioambiental, industria química, biomedicina, energía, envases funcionales y agricultura o automoción, entre otros.

Remediación medioambiental:

Los MOFs se emplean para la captura selectiva de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono y su posterior conversión en productos derivados de gran interés en la industria química (p.e. monóxido de carbono, metanol, formaldehido, etc.). También son capaces de eliminar metales pesados de aguas contaminadas, hasta en bajas concentraciones. 

Industria Química:

Los MOFs han demostrado capacidad para separar con altos porcentajes de éxito mezclas de gases similares de bajo peso molecular (CO/CO2, CO2/N2, CO2/CH4, etc.), mezclas de hidrocarburos (metano/etano, propano/butano, etano/etileno, etc.), mezclas de enantiómeros, mezclas de compuestos alifáticos y aromáticos (benceno/ciclohexano) o incluso mezclas de isótopos (hidrógeno/deuterio).

Además, representan una nueva clase de catalizadores con gran potencial que, de manera inherente, combinan las ventajas de los catalizadores homogéneos (con una gran disponibilidad de centros activos y muy buena reactividad) y heterogéneos (con alta capacidad de reciclabilidad).

Biomedicina:

Los MOFs se encuentran entre las clases de materiales más prometedoras para bioaplicaciones reportadas en las últimas dos décadas. Algunos son biodegradables y biocompatibles, con una estructura y composición que se pueden ajustar fácilmente para optimizar la encapsulación de fármacos, gasotransmisores o activos antimicrobianos y su posterior liberación. También son empleados en imagen y diagnóstico, como sensores o en ingeniería de tejidos.  Los MOF en aplicaciones biomédicas se hallan en fase preclínica ya que todavía presentan limitaciones y se necesitan más estudios centrados en su toxicidad y biodistribución o en formulaciones de “calidad farmacéutica”.

Envases funcionales y Agricultura:

Algunos MOFs han demostrado tener una buena biocompatibilidad y baja toxicidad como para ser incorporados en envases para alimentos. Por tanto, combinados con las matrices adecuadas dan lugar a envases funcionales con propiedades de sensores, marcadores, antimicrobianos o adsorbentes de contaminantes. Además, pueden mejorar las propiedades barrera contra agua y oxígeno. Para su aplicación, es importante asegurar la no migración de los nanomateriales del envase a los alimentos.

Automoción y Energía:

Los MOFs se presentan como buenos candidatos para el almacenaje de hidrógeno, lo que favorecería el desarrollo de las tan deseadas baterías de hidrógeno. Además, pueden ser empleados como sensores, como electrodos en baterías de litio, como sistemas de purificación y de deshumidificación en filtros, como agentes ignífugos en los materiales del vehículo, etc.,

EMPRESAS Y PROYECTOS YA CONSIDERAN ESTOS MATERIALES

En vista de tan interesantes aplicaciones, ya son bastantes las empresas que han surgido para sintetizar, procesar y comercializar MOFs en todo el mundo. Algunas de ellas son: MOFs Technologies (Reino Unido), Water Harvesting Inc. (Estados Unidos), Immaterial (Reino Unido), NovoMOF (Suiza), Energy X (Estados Unido), NuMat Technologies (Estados Unidos), etc. Por otro lado, importantes industrias químicas como BASF ya incluyen los MOFs en su catálogo de productos. 

Por nuestra parte, en AIMPLAS apostamos por los MOFs y por ello trabajamos en la síntesis de los mismos, al mismo tiempo que somos capaces de adaptarlos e implementarlos para todas aquellas aplicaciones en las que su empleo puede dar una solución. Por ejemplo, en el proyecto IGNITION se han empleado MOFs comerciales y algunos desarrollados en el proyecto para encapsular aditivos retardantes de llama naturales con el fin de evitar su degradación térmica para poder soportar las condiciones de procesado. Otro ejemplo es el proyecto DOTMASK, donde se van a incorporar partículas del MOF ZIF-8 en formulaciones para recubrimientos con carácter antimicrobiano que serán aplicados en mascarillas. Por otro lado, en el proyecto GRAMOFON se desarrolló un innovador proceso de captura de dióxido de carbono basado en nuevos nanomateriales, entre ellos los MOFs, y su desorción empleando energía microondas, lo que permite luchar contra el cambio climático a un coste inferior al que tienen estas tecnologías actualmente.

Si considera que los MOFs pueden desempeñar un papel en el desarrollo de las actividades de su empresa no dude en contactarnos. En AIMPLAS podemos evaluar si estos materiales se adaptan a sus necesidades.