El Premio Nobel de Química 2025 ha recaído en tres científicos que han revolucionado la arquitectura molecular: el japonés Susumu Kitagawa (Universidad de Kyoto), el australiano Richard Robson (Universidad de Melbourne) y el jordano-estadounidense Omar Yaghi (Universidad de California, Berkeley). Los tres comparten el premio por el desarrollo de las estructuras metalorgánicas (MOF, por sus siglas en inglés, Metal-Organic Frameworks). En este post os vamos a explicar qué son las MOFs y sus aplicaciones.

¿Qué son las estructuras metalorgánicas?

Las MOF son materiales cristalinos construidos mediante una combinación de iones metálicos (como cobre, zinc o circonio) que actúan como nodos y que se unen por largas moléculas orgánicas (con carbono) que actúan como conectores o «vigas». Cuando estos componentes se ensamblan, forman una red tridimensional ordenada que contiene grandes cavidades internas. Básicamente podéis imaginar que son cristales porosos, con agujeros en su estructura, como veis en la imagen.

Imagen del artículo Bell, David. (2018). The Promise of Metal–Organic Frameworks for Use in Liquid Chromatography. Lc Gc North America. 36.

Para explicar sus peculiares características, el Comité Nobel ha comparado estos materiales con el bolso mágico de Hermione Granger en Harry Potter: diminuto por fuera, pero con una capacidad interior grandísima. Un fragmento de MOF del tamaño de un terrón de azúcar puede tener una superficie interna comparable a la de un campo de fútbol. Es así gracias a que las cavidades microscópicas están interconectadas, creando una red porosa por donde pueden fluir gases y otras sustancias químicas. Es algo parecido a una esponja, que está llena de agujeritos y canales, lo que aumenta mucho su superficie interna.

Uno de los aspectos más importantes de las MOFs es que, en función de los componentes que se usen para construirlos pueden capturar y almacenar distintas sustancias. Así, variando los metales y los ligandos orgánicos, los químicos pueden diseñar materiales «a la carta» con poros de tamaños específicos y propiedades químicas concretas. Además, las MOFs pueden conducir la electricidad o catalizar reacciones químicas.

La historia del descubrimiento

El camino hacia las MOF comenzó en 1989, cuando Richard Robson experimentó con las propiedades de los átomos de una manera novedosa. Combinó iones de cobre con carga positiva con una molécula orgánica de cuatro brazos. Esta molécula tenía en cada uno de sus cuatro extremos un grupo químico (nitrilo) que era atraído por el ion cobre. Al mezclarse, formaron un cristal espacioso y ordenado, semejante a un diamante lleno de innumerables cavidades. Sin embargo, esta estructura era inestable y colapsaba fácilmente.

Primer MOF creado por Robson con iones cobre y grupos nitrilo. Ilustración de ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences, tomada de https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/

Robson continuó presentando nuevos tipos de modelos de construcción con cavidades que se podían rellenar con diferentes sustancias. Por ejemplo, utilizó una para el intercambio de iones. Así, sumergió la construcción rellena de iones en un fluido que contenía otros tipos de iones y demostró que los iones intercambiaban sus posiciones, es decir, que las sustancias podían fluir dentro y fuera de la construcción molecular.

Entre 1992 y 2003, Susumu Kitagawa y Omar Yaghi, trabajando de manera independiente, consolidaron las bases de este método de construcción molecular e hicieron descubrimientos esenciales.

En 1997 Kitagawa creó MOFs que estaban atravesados por canales abiertos. Cuando le quitaban el agua a uno de estos materiales permanecía estable y los canales se podían rellenar con gases. Esas MOFs eran capaces de absorber y liberar metano, nitrógeno y oxígeno sin cambiar de forma. Había demostrado que los gases pueden fluir dentro y fuera de estas estructuras.

MOF de Kitagawa con canales abiertos que se pueden rellenar con gas. Ilustración de ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences, tomada de https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/

En 1998 Kitagawa glosó algunas de las ventajas de las MOFs. Así, afirmó que se podían crear a partir de muchos tipos de moléculas, por lo que tenían gran potencial para integrar diferentes funciones. Además, se dio cuenta de que las MOFs pueden formar materiales blandos, no rígidos y predijo que las MOF podrían hacerse flexibles. De hecho, años después, logró crear MOFs que cambiaban de forma cuando estaban llenos y volvían a su forma original al vaciarse, de manera similar a un pulmón.

Modelo de MOF flexible de Kitagawa. Ilustración de ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences, tomada de https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/

Por su parte, Yaghi es el creador del término MOF, en un artículo de 1995 el que describía una estructura creada por su grupo y que era muy estable. En 1999 crea el célebre MOF-5. Es una estructura extraordinariamente estable que, incluso cuando está vacía (sus poros o cavidades no están ocupadas por moléculas de gas) se puede calentar hasta 300 ºC sin que colapse. Pero lo más llamativo del MOF-5 no era su estabilidad, sino el enorme área interna que tiene. Un par de gramos de MOF-5 tiene un área interna (en sus poros) del tamaño de un campo de fútbol, por lo que puede absorber una gran cantidad de gas.

MOF-5, desarrollador por Yaghi en 1995. Tiene espacios cúbicos y un par de gramos pueden acoger un área tan grande como un campo de fútbol. Ilustración de ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences, tomada de https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/

En dos artículos publicados en 2002 y 2003, Yaghi desarrolló el concepto de química reticular: un enfoque racional para diseñar y construir materiales porosos con propiedades predeterminadas. Introdujo además el concepto de unidades de construcción secundarias, usando clústeres metálicos preformados y rígidos (como el clúster de oxo-zinc Zn₄O) en lugar de iones metálicos individuales, lo que confirió a las MOF una robustez sin precedentes. También desarrolló la síntesis isoreticular, una técnica que permite crear series de MOF con la misma topología, pero con poros de tamaños crecientes, simplemente alargando los ligandos orgánicos, ajustando así el tamaño de las cavidades con precisión nanométrica. Como vemos en la imagen, cambiaba las moléculas orgánicas que se unen a los átomos metálicos (las “vigas”) y así generaban familias de MOFs con distintas propiedades, como por ejemplo 16 variantes del MOF-5 con distintos tamaños de poro.

Yaghi demostró que es posible producir familias enteras de MOFs. Para ello variaba las “vigas” moleculares. Ilustración de ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences, tomada de https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/

Gracias a estos avances, la comunidad científica ha sintetizado ya decenas de miles de MOF diferentes, cada una con propiedades y aplicaciones específicas.

Aplicaciones: de la captación de agua en el desierto a la captura de CO₂

Las MOF tienen un potencial enorme para abordar algunos de los mayores retos de la humanidad. De hecho, ya no son solo estructuras creadas en laboratorios, sino que muchas empresas están ya investigando su producción en masa y comercialización. Sí, están cerca de ser ya una realidad de uso común. Entre sus aplicaciones más destacadas podemos destacar las siguientes:

Obtención de agua del aire en el desierto: Las MOF pueden capturar moléculas de agua presentes en la atmósfera, incluso en ambientes áridos con humedad inferior al 20%, y convertirlas en agua líquida. Yaghi y su equipo han desarrollado MOFs que, probados en el desierto de Arizona, el desierto de Mojave y el Valle de la Muerte, producen agua ultralimpia sin necesidad de energía adicional más allá de la luz solar. Un kilogramo de MOF puede extraer hasta 200 mililitros de agua por cada ciclo completo de captación y liberación (aproximadamente un día). Existen versiones más económicas, como el MOF-303 basado en aluminio, que captura el doble de agua y es 150 veces más barato que otras estructuras.

Captura de dióxido de carbono (CO₂): Algunas MOFs, como el COF-999 pueden extraer selectivamente CO₂ del aire o de gases industriales, y separarlo de otros componentes para evitar que llegue a la atmósfera. Esta tecnología podría instalarse en centrales eléctricas o refinerías para reducir sus emisiones.

Almacenamiento de hidrógeno verde: Las MOFs permiten retener grandes cantidades de hidrógeno a temperaturas y presiones relativamente bajas, lo que los hace ideales para el almacenamiento seguro y eficiente de este combustible “verde”. Esta capacidad es crucial para integrar el hidrógeno verde en el sistema energético y facilitar la descarbonización del transporte y la industria.

Ejemplos de MOFs y su posible utilización. Ilustración de ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences, tomada de https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/

Separación de contaminantes: Las MOF pueden extraer sustancias tóxicas del agua, como los llamados «químicos eternos» o PFAS (compuestos perfluorados que persisten en el ambiente y están relacionados con el cáncer), así como fenoles, compuestos fluorados o trazas de productos farmacéuticos. Imaginad que echemos un puñado de estas MOF en un río contaminado y posteriormente saquemos las MOF de un agua ya limpia. Pues no es ciencia ficción.

Administración de fármacos: En el ámbito biomédico, las MOF pueden encapsular medicamentos y liberarlos de manera controlada en ubicaciones específicas del cuerpo. Se han utilizado en estudios preclínicos para el tratamiento del cáncer (transportando doxorrubicina, cisplatino o proteínas como la ribonucleasa), diabetes y otras enfermedades, mejorando la estabilidad del fármaco y facilitando su absorción celular.

Catálisis química verde: Las MOF presentan la capacidad de actuar como catalizadores en reacciones químicas, facilitando procesos más eficientes y sostenibles. Su actividad como catalizadores puede ayudar a la producción de hidrógeno verde, servir para degradar contaminantes persistentes o generar productos químicos con mayor selectividad y menos subproductos.

Importancia y futuro de las MOF

El desarrollo de las estructuras metalorgánicas representa un hito en la ciencia de materiales. Su capacidad para diseñarse «a la carta» las convierte en herramientas extraordinariamente versátiles que pueden adaptarse a desafíos específicos. Las MOFs tienen un potencial enorme y brindan oportunidades increíbles en numerosos ámbitos. El siguiente paso es la creación de MOFs cuánticos, con propiedades que casi no podemos ni imaginar.

Aunque la mayoría de las aplicaciones de MOF aún se encuentran a escala de laboratorio o en fase piloto, su implementación industrial es considerada viable. Yaghi ha expresado que no tiene «ninguna duda de que en los próximos 3 a 5 años existirá un aparato capaz de obtener agua pura de la atmósfera». Diversos grupos de investigación y empresas emergentes trabajan ya en el desarrollo de dispositivos comerciales.

El reconocimiento del Premio Nobel subraya la trascendencia de estas estructuras moleculares para afrontar desafíos globales como el cambio climático, la escasez de agua potable, la contaminación ambiental o la transición energética.