Estructuras metalorgánicas con conductividad metálica
Investigadores del KIT producen por primera vez una película fina de MOF con verdadera conductividad metálica: perspectivas para la electrónica del futuro
Los marcos metal-orgánicos (MOF) se caracterizan por una elevada porosidad y una estructura personalizable. Tienen un enorme potencial, por ejemplo para aplicaciones en electrónica. Hasta ahora, sin embargo, su baja conductividad eléctrica ha limitado seriamente su uso. Con la ayuda de síntesis asistidas por inteligencia artificial y robots en un laboratorio autocontrolado, investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), junto con colegas de Alemania y Brasil, han logrado producir una fina película de MOF que conduce la electricidad como los metales. Esto abre nuevas posibilidades en electrónica y almacenamiento de energía, desde sensores y materiales cuánticos hasta materiales funcionales. El equipo informa de ello en la revista científica Materials Horizons.
Los MOF (marcos metalorgánicos) están formados por uniones metálicas y puntales orgánicos. Pueden utilizarse para catálisis, separación de materiales y almacenamiento de gases, entre otras cosas. Investigadores del Instituto de Interfaces Funcionales (IFG) y del Instituto de Nanotecnología (INT) del KIT, así como de la Universidad de Gotinga, la Universidad Libre de Berlín y la Universidad Estatal de São Paulo (Brasil), han logrado ahora un avance decisivo: Por primera vez, han producido un MOF en forma de película fina que se comporta como un metal y presenta una alta conductividad.
Un nuevo proceso de fabricación minimiza los defectos de los MOF
La conductividad metálica de los MOF ya se había predicho en teoría, pero hasta ahora sólo se había conseguido en la práctica en casos excepcionales, y nunca en forma de película fina, que es crucial para las aplicaciones técnicas. En esta forma, se aplican finas capas de MOF a un sustrato. "La razón de la baja conductividad eléctrica son defectos como las interfaces entre dominios cristalinos", explica el profesor Christof Wöll, director del IFG del KIT. "Estos defectos estructurales dificultan el transporte de electrones. Con nuestro nuevo proceso de fabricación, hemos reducido significativamente la densidad de estos defectos."
El equipo internacional de investigación utilizó síntesis asistida por IA y robots en un laboratorio autocontrolado para optimizar películas finas del material MOF Cu3(HHTP)2 . Este método permite controlar con precisión la cristalinidad y el tamaño de los dominios. Se consiguieron conductividades de más de 200 Siemens por metro enpelículas finas de Cu3(HHTP)2 a temperatura ambiente, e incluso superiores a bajas temperaturas de menos 173,15 grados Celsius. Se trata de un claro rasgo de comportamiento metálico que allana el camino para el uso de películas finas de MOF en componentes electrónicos.
El MOF optimizado permite investigar fenómenos de transporte inusuales
Las investigaciones teóricas también muestran que el material MOF Cu3(HHTP)2 presenta conos de Dirac, estados electrónicos especiales que también se encuentran en el grafeno, por ejemplo. "Esto abre posibilidades completamente nuevas para investigar experimentalmente fenómenos de transporte inusuales como los líquidos de espín, en los que los espines cuánticos permanecen desordenados incluso a bajas temperaturas, o la llamada tunelización de Klein, es decir, la tunelización a través de barreras por partículas muy rápidas", afirma Wöll.
Con su estudio, los investigadores no sólo presentan un novedoso proceso de producción de películas conductoras de MOF para su incorporación a componentes electrónicos. También están abriendo los MOF a muchos campos de aplicación nuevos. "La combinación de síntesis automatizada, caracterización predictiva de materiales y modelización teórica abre nuevas perspectivas para el uso de MOF en la electrónica del futuro: desde tecnología de sensores y materiales cuánticos hasta materiales funcionales hechos a medida con propiedades electrónicas específicamente ajustables", afirma Wöll.
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Publicación original
Chatrawee Scheiger, Jonas F. Pöhls, Mersad Mostaghimi, Lena Pilz, Mariana Kozlowska, Yidong Liu, Lars Heinke, Carlos Cesar Bof Bufon, R. Thomas Weitz, Wolfgang Wenzel, Christof Wöll; "Dirac-cone induced metallic conductivity in Cu3(HHTP)2: high-quality MOF thin films fabricated via ML-driven robotic synthesis"; Materials Horizons, 2025
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