La Universidad Técnica de Graz desentraña el misterio de la estructura de las películas delgadas de MOF

Debido a su elevada porosidad, los esqueletos metalorgánicos (MOF) se consideran materiales prometedores para aplicaciones innovadoras, razón por la cual se les concedió el Premio Nobel de Química en 2025 por su descubrimiento. Se utilizan, por ejemplo, para almacenar gases, capturar CO₂ y para la administración dirigida de medicamentos. Si bien la estructura de los MOF en forma de grandes cristales puede determinarse con relativa facilidad, las películas finas han seguido siendo, en gran medida, un misterio. Sin embargo, es precisamente la estructura la que resulta decisiva para las propiedades y las posibles aplicaciones.

Un equipo dirigido por Roland Resel y Egbert Zojer, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Graz (TU Graz), junto con colegas del Instituto de Química Física y Teórica (dirigido por Paolo Falcaro) y del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (dirigido por Christof Wöll), ha resuelto ahora este enigma. Han publicado sus resultados en un artículo de la prestigiosa revista *Advanced Functional Materials*. Tomando como ejemplo la película delgada de dicarboxilato de benceno y cobre (Cu(bdc)), ampliamente estudiada, los investigadores han demostrado que ninguno de los modelos estructurales propuestos hasta la fecha es correcto. En su lugar, han identificado una estructura que explica todas las propiedades observadas y que ofrece una sorpresa: las películas delgadas de Cu(bdc) no son porosas en absoluto, como cabría esperar normalmente de los MOF.

Es necesario reevaluar los modelos estructurales

«Nuestros resultados sugieren que muchos de los modelos estructurales publicados sobre las películas delgadas de MOF podrían ser incorrectos y deben reevaluarse», afirma Egbert Zojer. Este avance se logró combinando complejas simulaciones de mecánica cuántica con una técnica de medición especializada, conocida como difracción de rayos X de incidencia rasante rotatoria (GIXD rotatoria), que se llevó a cabo en el sincrotrón Elettra de Trieste. A diferencia de las mediciones convencionales, que miden la difracción de rayos X en una dirección específica y, por lo tanto, solo proporcionan una cantidad limitada de datos, el método GIXD rotativo ofrece una imagen casi completa de la periodicidad cristalina. Al combinar las mediciones con las simulaciones de mecánica cuántica mencionadas anteriormente y la determinación de la densidad de la película delgada mediante reflectometría de rayos X, el equipo pudo descartar el gran número de estructuras propuestas anteriormente en la literatura y, en última instancia, revelar la verdadera identidad de la película a través de simulaciones.

Densamente compacta en lugar de altamente porosa

Los hallazgos contradicen las opiniones que prevalecían hasta ahora. La mayor parte de la literatura científica había descrito la estructura como altamente porosa, aunque esto ya había resultado difícil de conciliar con ciertas observaciones realizadas en el pasado. Sin embargo, ahora se está haciendo evidente que, en lugar de ser altamente porosa, la película delgada de Cu(bdc) está densamente compactada y contiene grupos hidróxido adicionales, que no figuraban en la mayoría de los modelos anteriores. La estructura descubierta explica por qué las películas apenas pueden cargarse con moléculas huéspedes, por qué muestran una estabilidad inusualmente alta frente al agua y por qué poseen propiedades magnéticas que serían incompatibles con las estructuras hipotetizadas anteriormente.

Nuevas aplicaciones potenciales

La estructura no porosa que se ha identificado ahora no solo explica la robustez química del material, sino que también confirma su estado fundamental ferromagnético. Esto orienta las posibles aplicaciones de estas películas hacia fenómenos físicos que podrían ser relevantes en la tecnología de sensores, la microelectrónica o los sistemas de almacenamiento magnético. Además, la estructura contiene capas de óxido de cobre que recuerdan a los superconductores de alta temperatura. Las posibles aplicaciones derivadas de ello constituyen la base para futuras investigaciones.

«Gracias a nuestro trabajo, hemos podido demostrar que la caracterización estructural fiable de las películas delgadas de MOF solo es posible mediante una combinación de métodos modernos de difracción y modelización teórica», afirma Egbert Zojer. «La metodología de difracción, establecida principalmente por el grupo de Roland Resel, junto con el software desarrollado en la Universidad Técnica de Graz para analizar los datos del sincrotrón, constituye una herramienta importante para este fin. Sienta las bases para dilucidar la estructura de otras películas delgadas de MOF en el futuro y, posteriormente, aprovecharlas específicamente para nuevas aplicaciones en la tecnología de sensores y la microelectrónica».