Fraccionar cristales MOF libera su potencial: mantienen sus propiedades eléctricas pero son más sensibles

31.03.2025

Esquema ilustrativo de la fragmentación de un cristal nanométrico de una red órgano metálica (MOF) con propiedades de conmutación molecular, llamada de transición de espín (SCO). Crédito: Patricia Bondía.

• Investigadores en IMDEA Nanociencia desarrollan materiales porosos con propiedades electrónicas conmutables.
• Observan que las propiedades de los materiales MOF se mantienen cuando éstos son de tamaño nanométrico; podrían miniaturizarse sin comprometer su funcionalidad.

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Madrid, 31 de marzo, 2025. El Grupo de “Materiales Conmutables” de IMDEA Nanociencia trabaja en el desarrollo de materiales cuyas propiedades puedan cambiar con la misma facilidad con la que accionamos un interruptor. Está liderado por el Dr. José Sánchez Costa, y uno de sus trabajos pioneros se centra en unir en un mismo material propiedades de porosidad, propiedades eléctricas y conmutación molecular (llamada transición de espín). Las redes órgano metálicas (MOF son por las siglas en inglés de Metal Organic Frameworks) son materiales interesantes por su alta porosidad, que les conferiría un enorme potencial para albergar moléculas de gas, como dióxido de carbono o hidrógeno. No son solamente materiales pasivos, también se pueden diseñar para tener propiedades responsivas ante la presencia de estos gases. Por ejemplo, algunos materiales MOF exhiben un comportamiento de transición espín (SCO son las siglas en inglés de Spin Crossover), es decir, pueden cambiar su estado magnético en respuesta a un estímulo externo. Esto es de enorme interés para el desarrollo de aplicaciones electrónicas, como almacenamiento de datos, o sensores.

El cambio de la conducción eléctrica en el MOF se activa por un estímulo externo

Este trabajo, en el que se reporta el fenómeno de transición de espín en un material MOF conductor, fue publicado en la revista Chemistry of Materials. Esta colaboración con el Dr. Enrique Burzurí (Universidad Autónoma de Madrid) mostró que las propiedades de transporte eléctrico dependen directamente del estado de espín del material. El cambio en el estado conductor se activa por un estímulo externo, un cambio en la temperatura, en el rango de temperaturas cercanas a temperatura ambiente. Además, el cambio viene acompañado de un vistoso cambio de color del cristal, de naranja a azul.

En un trabajo posterior, publicado en la revista Small, los investigadores estudiaron en profundidad la relación entre el estado de espín y la temperatura. Cuando moléculas tan ubicuas como el agua pueden alterar significativamente las propiedades de los materiales MOF, se hace crucial comprender la interacción entre el estado de espín y las moléculas huésped. Se empleó un enfoque experimental y computacional combinado para explorar cómo la absorción y liberación de las moléculas huésped influye en la dinámica del fenómeno de transición de espín. Al contrario que en la mayoría de casos, los resultados revelaron un mecanismo de estado sólido en el que la pérdida de agua facilita la transición al estado de bajo espín, en un fenómeno de transición de espín reverso.

Nanoestructurar los cristales los transforma en mejores sensores

La investigación del Grupo de Materiales Conmutables sobre estos cristales moleculares SCO-MOF ha demostrado también que sus propiedades se mantienen cuando los cristales se fraccionan hasta tamaños nanométricos. Puede parecer trivial que un nanocristal tenga las mismas propiedades que su análogo macroscópico, pero no lo es; los efectos cuánticos a escala nano- son lo suficientemente relevantes como para cambiar las propiedades de los materiales. Sin embargo, los investigadores han encontrado que las propiedades conductoras del cristal macroscópico SCO-MOF son las mismas en los nanocristales, lo cual es un resultado muy alentador porque significa que se pueden combinar las propiedades electrónicas ya observadas con el hecho de que al nanoestructurar los cristales aumenta la superficie de reacción y hace estos cristales más sensibles a los estímulos químicos externos, como, por ejemplo, a la captación de gases. Es decir, los transforma en mejores sensores.

Esta investigación, publicada también en Small, es el resultado de una colaboración entre científicos liderados por el Dr. Sánchez Costa (IMDEA Nanociencia) y la Dra. Sañudo (Universidad de Barcelona). Para confirmar la integridad estructural de los nanocristales SCO-MOF, el equipo utilizó una técnica avanzada basada en la difracción de electrones (MicroED), realizada en el Centro Nacional de Biotecnología. Esta técnica les permitió analizar la disposición atómica de los nanocristales y compararlos con sus homólogos macroscópicos. Sus hallazgos revelaron que los nanocristales conservaban tanto su estructura cristalina como sus propiedades de transporte de carga, lo que sugiere que los MOF podrían miniaturizarse sin comprometer su funcionalidad.

Este avance abre posibilidades emocionantes para las redes MOF en las nanotecnologías de próxima generación. Este estudio representa un paso significativo hacia la integración de los materiales MOF en aplicaciones tecnológicas de vanguardia, donde es crucial un control preciso sobre las propiedades del material a nanoescala.

Glosario:

• Red organometálica (MOF): una clase de materiales que consisten en la unión de iones metálicos entre sí utilizando ligandos orgánicos. Estas unidades de coordinación repetitivas se extienden formando estructuras que pueden contener poros.
• Transición de espín (SCO): fenómeno que ocurre en algunos compuestos de coordinación, como MOFs, en el que el estado de espín del metal cambia debido a un estímulo externo.
• Estado de espín: momento angular magnético de los electrones. A diferencia de la interpretación clásica de una partícula girando sobre su propio eje, el espín no implica que el electrón esté realmente rotando. El espín es una propiedad fundamental que describe un tipo de momento angular asociado exclusivamente con partículas subatómicas.

Referencia

A. Martinez-Martinez, S. Gullace, E. Resines-Urien, L. Martín-Pérez, J. Collado, R. Arranz, E. Burzurí, C. Santiago, E. C. Sañudo, J. Sanchez Costa, Conversion of Flexible Spin Crossover Metal–Organic Frameworks Macrocrystals to Nanocrystals Using Ultrasound Energy: A Study on Structural Integrity by MicroED and Charge-Transport Properties. Small 2024, 2408966. https://doi.org/10.1002/smll.202408966

 Enlace al Repositorio de IMDEA Nanociencia: https://hdl.handle.net/20.500.12614/3915 

Contacto:

José Sánchez Costa
Switchable Nanomaterials Group
https://www.imdeananociencia.org/switchable-nanomaterials/home
@josescostalab.bsky.social

Oficina de Divulgación y Comunicación en IMDEA Nanociencia
divulgacion.nanociencia [at]imdea.org
  

Fuente: IMDEA Nanociencia.

El Instituto IMDEA Nanociencia es un centro de investigación interdisciplinar en Madrid dedicado a la exploración de la nanociencia y el desarrollo de aplicaciones de la nanotecnología en relación con industrias innovadoras. IMDEA Nanociencia es un centro de Excelencia Severo Ochoa desde 2017, máximo reconocimiento a la excelencia investigadora a nivel nacional.