Los MOFs: Desde sus orígenes al Nobel

El término “enrejados metalorgánicos” (conocidos por sus siglas como MOFs, del inglés metal-organic frameworks) fue acuñado por Omar M. Yaghi en 1994, quien posteriormente dominó el campo; sin embargo, fue Richard Robson quien, desde 1989, había sentado las bases conceptuales de estas estructuras. Posteriormente, en 1997, Sumusu Kitagawa mostró la funcionalidad práctica de los MOFs al demostrar su capacidad para almacenar metano. Estos trabajos pioneros en el campo de los MOFs, derivaron en la síntesis de decenas de miles de compuestos con prometedoras aplicaciones. Debido a esto, el premio Nobel de química de 2025 fue otorgado a Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi como reconocimiento de sus importantes avances en el descubrimiento de estos enrejados metalorgánicos.

Sin embargo, ¿qué son estos enrejados y cuál es su utilidad?

Los MOFs son materiales en los que iones o cúmulos metálicos están enlazados mediante moléculas orgánicas, formando un patrón regular y repetitivo que da lugar a una red tridimensional.  Una característica clave de estos materiales es que, en el espacio entre los nodos metálicos y las moléculas orgánicas a las que se unen se generan grandes cavidades, lo que hace que el material sea altamente poroso. Yaghi mencionó que un gramo de MOF tiene un área superficial interna aproximadamente igual a la de dos campos de fútbol americano. 

Los MOFs tienen propiedades únicas, como su gran área superficial, su baja densidad, alta flexibilidad y la versatilidad en la función de sus poros, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones. Por ejemplo, debido a su alta porosidad, se ha estudiado su capacidad de almacenamiento de hidrógeno y metano. En el MOF-177 se reportó un almacenamiento de hidrógeno de hasta un 7.5 % en peso. También se han empleado para la captura de CO2 y la adsorción de nitrógeno.

El uso de los MOF se ha extendido al ámbito biomédico, principalmente para el transporte de fármacos. Sus ventajas, en comparación con otros materiales, son la facilidad con la que se puede modificar el tamaño de los poros, su alta capacidad de almacenamiento de fármacos y que la superficie de los poros se puede funcionalizar. Por ejemplo, se ha demostrado que los MOF MIL-53(Fe) y MIL-53(Cr) pueden almacenar hasta 17.4% ibuprofeno con un tiempo de liberación prolongado de 21 días  

También se ha investigado su aplicación como electrodos en baterías de iones de litio (LIBs). Las LIBs comerciales están hechas principalmente con ánodos de grafito, los cuales tienen una capacidad máxima de 372 mAh/g. En comparación, el material compuesto formado por partículas de magnetita (Fe3O4) encapsuladas por el MOF HKUST-1 mostró una capacidad de 1001.5 mAh/g, un valor superior al de la magnetita pura (696 mAh/g) y al del grafito. 

Los MOFs han mostrado propiedades excepcionales y una notable versatilidad, evidenciada por su aplicación en diversos campos y dispositivos tecnológicos. Los numerosos avances en su investigación y desarrollo fueron, sin duda, motivo del Premio Nobel de Química de este año.

Para más información: Chemistry Nobel Prize

Constante dieléctrica y conductividad de agua confinada en un plano

El agua es esencial para la vida y sus propiedades han sido ampliamente estudiadas, aunque aún se conoce poco sobre su comportamiento eléctrico en condiciones interfaciales o de confinamiento extremo. En este estado, el agua pierde la estructura propia del volumen y adquiere una disposición laminar, lo que modifica su conductividad eléctrica, polarizabilidad y las fuerzas intermoleculares que determinan numerosos procesos físicos y químicos.

En este trabajo se empleó microscopía de barrido dieléctrica (Scanning Dielectric Microscopy, SDM), basada en un microscopio de fuerza atómica (AFM) adecuado para detectar variaciones de capacitancia del agua confinada en canales formados en la superficie del nitruro de boro hexagonal (hBN). Esta técnica permite medir las propiedades dieléctricas en el plano del agua confinada entre dos capas de hBN, una plana y otra con canales, separadas hasta por 1 nm.

Cuando el confinamiento excede algunos nanómetros, la constante dieléctrica y la conductividad del agua se aproximan a los valores volumétricos y aumenta la conducción por protones. Al reducir el espesor de la capa de agua, la conductividad crece notablemente y, cuando este espesor alcanza unas pocas moléculas, la constante dieléctrica en el plano alcanza valores del orden de 1000, similares a los de materiales ferroeléctricos, mientras que la conductividad llega a varios S m−1, como en los líquidos superiónicos. Comprender el comportamiento del agua nanoconfinada es esencial para explicar fenómenos en interfaces acuosas y poros nanométricos.

El agua volumétrica presenta una constante dieléctrica alta (εbulk ≈ 80) y una conductividad de aproximadamente σbulk ≈ 10−5 S m−1, comparables a las de un semiconductor de banda ancha. Esto explica su capacidad para formar puentes de hidrógeno y disolver más sustancias que cualquier otro líquido, generando un fuerte apantallamiento dieléctrico, determinante en los procesos bioquímicos de la vida.

Recientemente se demostró que el agua confinada entre monocapas no es polarizable en dirección perpendicular (ε⊥ ≈ 2), en concordancia con la teoría, aunque la constante paralela (ε//) no se conoce y todavía no se entiende teóricamente. 

Este trabajo muestra que, bajo confinamiento molecular extremo, las propiedades eléctricas del agua confinada en 2D cambian drásticamente, aportando nueva comprensión sobre la doble capa eléctrica y el fuerte confinamiento, abriendo posibilidades para estudiar otras sustancias.

Mayor información en: Nature

Video de gato de Schroedinger hecho con átomos

 

La computación cuántica promete resolver problemas que resultan imposibles para las computadoras clásicas. En lugar de bits que solo pueden valer 0 o 1, las máquinas cuánticas usan cúbits, capaces de estar en varios estados a la vez. Esto multiplica la capacidad de cálculo, pero también plantea enormes retos: los cúbits son inestables y propensos a errores.

Entre las distintas plataformas en desarrollo, los arreglos de átomos de Rydberg destacan por su potencial. En ellos, átomos individuales son atrapados con haces de luz llamados pinzas ópticas.

 Esta técnica ofrece gran precisión, permite conectar átomos de manera flexible y se puede ampliar a escalas muy grandes. Gracias a esto, ya se han demostrado pasos clave hacia la computación cuántica, como la corrección de errores y la simulación de fenómenos físicos complejos.

Un obstáculo importante es que, al cargar los átomos en un sistema, muchas posiciones del arreglo quedan vacías. Para aprovechar todo el sistema se necesita reorganizarlos y formar un arreglo sin defectos. Los métodos tradicionales mueven los átomos uno por uno, lo cual resulta demasiado lento para miles de partículas.

La solución presentada por el equipo de investigación citado, combina inteligencia artificial (IA) con un modulador espacial de luz (SLM). Este dispositivo puede modificar un haz láser en tiempo real y, guiado por la IA, desplazar en paralelo a todos los átomos hacia sus posiciones finales. El proceso se divide en pasos muy pequeños para evitar pérdidas y errores.

El procedimiento funciona así: primero, se cargan átomos de rubidio de manera aleatoria. Una cámara registra la distribución y una red neuronal identifica qué sitios quedaron ocupados. Después, la IA calcula la ruta óptima para mover cada átomo. Finalmente, el SLM genera hologramas de luz que guían el movimiento simultáneo de todos los átomos hasta formar el arreglo deseado.

Con esta técnica se logró construir el arreglo libre de defectos más grande reportado hasta ahora: 2024 átomos perfectamente ordenados. Para demostrar el nuevo sistema de reordenamiento rápido de miles de átomos, los investigadores crearon una animación con el famoso gato de Schrödinger. 

Este avance nos acerca a la posibilidad de contar con computadoras cuánticas más poderosas y, al mismo tiempo, abre la puerta a simulaciones de sistemas físicos imposibles de estudiar con las tecnologías actuales.

Para mayor información y la animación del gato de Schroedinger, consultar: Phys. Rev. Letters

 

Una nueva estrategia de edición genómica que utiliza nanopartículas lipídicas con ácidos nucleicos esféricos y CRISPR

 

  

Los sistemas CRISPR-Cas son una herramienta biológica descubierta recientemente que funciona como

“tijera molecular”, capaz de localizar y cortar fragmentos específicos del ADN para modificarlos

o corregirlos con gran precisión. Esta maquinaria de edición génica ha transformado la biología al ofrecer

la posibilidad de corregir errores genéticos.

No obstante, su mayor desafío ha sido transportar a la máquina de edición de manera segura y eficiente

al interioir de las células, ya que los métodos tradicionales, como los vectores virales o nanopartículas lipídicas (LNPs), suelen presentar problemas de toxicidad, baja eficiencia o reacciones inmunes. 

Un reciente estudio propone una solución innovadora al introducir la maquinaria CRISPR-Cas en

nanopartículas lipídicas recubiertas con ácidos nucleicos esféricos (SNAs por sus siglas en inglés), lo que

resulta en nanoestructuras de aproximadamente 130 nm.  La capa externa de ADN facilita su entrada a las células,

y el núcleo lipídico da estabilidad a la maquinaria CRISPR-Cas y permite su liberación controlada.

En la nanoestructura lipídica se incluyen tanto los plásmidos que codifican la maquinaria de CRISPR como

los moldes necesarios para reparaciones de ADN por la vía HDR (reparación dirigida por homología).

En resumen, este diseño permite una mejor captación celular de la nanopartícula, que a su vez contiene

la maquinaria CRISPR-Cas. Se reduce la toxicidad y aumenta la

eficiencia de edición genética.

El equipo de investigación probó esta estrategia en diferentes tipos de células, evaluando cuántas

nanopartículas lograban entrar, si había efectos tóxicos y si la maquinaria CRISPR se entregaban de manera

exitosa. Luego, analizaron el ADN celular para comprobar si la maquinaria CRISPR había hecho las ediciones esperadas.

Los resultados mostraron que este sistema no solo produjo las ediciones típicas de deleción de nucleótidos,

sino también reparaciones precisas mediante la vía HDR. En comparación con LNPs convencionales, las

nuevas estructuras fueron más eficientes, y no mostraron toxicidad, manteniendo además una alta viabilidad

celular incluso a concentraciones elevadas.

Los investigadores destacan que estas nanopartículas híbridas, llamadas LNP-SNAs, podrían adaptarse en

el futuro para dirigirse a órganos específicos. Gracias a su mayor seguridad y eficacia, los

CRISPR-LNP-SNAs representan una plataforma versátil y escalable, que acerca cada vez más

las terapias de edición genética a su aplicación clínica.

Más información en: PNAS

Transistores de efecto de campo ferroeléctricos reconfigurables con canales de nanotubos de carbono de pared simple

El rápido desarrollo de internet y de la inteligencia artificial ha acelerado la generación de datos imponiendo una mayor demanda en su procesamiento. Para procesarlos de manera eficiente se requiere reducir la dimensión de los dispositivos y el voltaje de operación y, con ello, el consumo de energía. 

Sin embargo, con la tecnología actual de transistores de efecto de campo (FET) como los transistores complementarios metal-oxido-semiconductor (CMOS) de silicio, lograr estas mejoras se ha vuelto difícil debido a limitaciones físicas: cuando los transistores se hacen demasiado pequeños aparecen problemas de control eléctrico. En particular, la reducción del tamaño se dificulta por efectos ligados a la corta longitud del canal, mientras que bajar el voltaje por debajo de 1 V está restringido por el límite de Boltzmann, que depende de la relación constante entre el potencial de interacción y el recorrido libre medio de los transportadores de carga.

Ante estas limitaciones, una alternativa prometedora son los transistores reconfigurables, capaces de cambiar su funcionamiento después de fabricados. Un caso especial son los transistores FeFET reconfigurables, que pueden funcionar como transistores de tipo p o de tipo n según se necesite.

Un equipo de investigación de Corea, EE.UU. y China desarrolló este tipo de dispositivos usando nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) altamente alineados como canales semiconductores y un material ferroeléctrico innovador (nitruro de aluminio-escandio). Estos dispositivos presentan características ambipolares de los portadores con corrientes del estado de encendido (ON, del inglés) altas y bien equilibradas (de ~270 μA μm−1 a un voltaje de drenador de 3 V) y razón encendido/apagado (ON/OFF, del inglés) superiores a 105, aunado con amplias ventanas de memoria y excelente capacidad de retención. Además poseen capacidad de memoria ternaria (pueden guardar -1, 0 o +1 en lugar de solo 0 y 1). Esto significa que se pueden construir circuitos más compactos y eficientes que los basados en silicio convencional.

Mayor información en: Nature Communications