El profesor Jie Huang y su equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri han logrado avances significativos en el desarrollo de sensores que utilizan estructuras organometálicas (MOF), una clase revolucionaria de materiales cristalinos. Este avance coincide con el reconocimiento a Omar Yaghi, pionero en el campo de los MOF, quien, junto con Susumu Kitagawa y Richard Robson, recibirán el Premio Nobel de Química en 2025 por su innovador trabajo.
Los MOF se estructuran uniendo iones metálicos con moléculas orgánicas, formando arquitecturas similares a esponjas repletas de poros microscópicos. La versatilidad inherente a la variación de metales y componentes orgánicos hace posible crear miles de MOF únicos, cada uno con diferentes propiedades, incluidas cantidades extraordinarias de superficie interna, de modo que, en teoría, un gramo de algunos MOF podría cubrir un campo de fútbol completo. Esta porosidad les permite absorber y liberar gases, almacenar combustibles ricos en energía como el hidrógeno y capturar contaminantes, proporcionando soluciones a problemas ambientales acuciantes.
El trabajo del equipo en los últimos años se ha centrado en convertir estos materiales de soluciones de almacenamiento en dispositivos de detección activa. Al utilizar cambios en la estructura de los MOF, como cambios de tamaño o cambios en las propiedades eléctricas y de la luz a medida que absorben moléculas de gas o líquido, los investigadores pueden leer los datos que estos cambios producen cuando se conectan a dispositivos que pueden interpretar señales luminosas o eléctricas. Estas señales permiten monitorear en tiempo real las concentraciones de gas en diferentes entornos, lo que podría mejorar los protocolos de seguridad y las prácticas de monitoreo ambiental.
Una innovación notable es conectar un MOF a base de cobre, conocido como HKUST-1, a fibras ópticas, creando un sensor compacto que puede medir la interferencia de la luz. Este método permite al equipo monitorear la absorción de moléculas de gas en tiempo real, proporcionando información no solo sobre si un gas está presente, sino también sobre la velocidad y la cantidad de absorción: datos cruciales para identificar sustancias específicas en una mezcla.
En aplicaciones sanitarias, los MOF pueden servir como esponjas selectivas para el análisis del aliento, con el potencial de identificar enfermedades específicas. Por ejemplo, un MOF diseñado para absorber acetona (que normalmente aumenta en pacientes con cetoacidosis diabética) podría conducir a herramientas de detección no invasivas. De manera similar, ciertos MOF pueden detectar amoníaco, un marcador de enfermedad renal crónica, cuantificando su presencia en el aire exhalado.
Los avances recientes en la fabricación de sensores, como una técnica rápida de «secado por gota» desarrollada por el equipo de Huang, están mejorando la eficiencia, haciendo posible depositar una fina capa de MOF directamente sobre fibras ópticas en menos de dos minutos. Esta innovación ha dado como resultado sensores que pueden detectar rápidamente gases ambientales como la humedad y el dióxido de carbono, manteniendo al mismo tiempo un alto nivel de sensibilidad.
El potencial de estos sensores es enorme, ya que podrían revolucionar la detección de gases. Al integrar el aprendizaje automático, los sensores también pueden adaptarse para reconocer múltiples gases simultáneamente, lo que refleja la capacidad del sistema olfativo humano para distinguir diferentes olores. Las aplicaciones futuras podrían ir desde el seguimiento de las emisiones industriales hasta la detección de enfermedades en tiempo real mediante el análisis del aliento.
A pesar de los avances prometedores, persisten desafíos, especialmente en lo que respecta a la durabilidad de los MOF frente al calor y la humedad. Sin embargo, la investigación en curso busca mejorar estos aspectos, con miras a aplicaciones prácticas en el mundo real. Con mayores mejoras, el uso integrado de sensores MOF podría mejorar significativamente el monitoreo de la seguridad y la salud en varios sectores, fortaleciendo el papel fundamental que desempeña el diseño molecular para abordar los desafíos globales.
