La escasez de agua es un problema global cada vez más acuciante, que exige la búsqueda de soluciones innovadoras. En este contexto, la recolección de agua atmosférica se presenta como una alternativa prometedora. Esta tecnología, que utiliza materiales porosos conocidos como marcos orgánicos metálicos (MOFs), permite extraer agua directamente del aire, lo que podría marcar un avance significativo en la lucha contra la falta de recursos hídricos.
Los MOFs son estructuras cristalinas altamente ajustables y con grandes áreas superficiales, reconocidas por su capacidad para atrapar y retener moléculas, incluyendo el vapor de agua. La eficacia de estos procesos de recolección depende en gran medida de las características de adsorción del agua en estos materiales. Hasta la fecha, se han observado diversos comportamientos de adsorción de agua en los MOFs, lo que ha llevado a los investigadores a centrarse en aquellos que presentan isoterma de adsorción en forma de «S». Estas isotermas se caracterizan por un aumento abrupto en la captación de agua con un pequeño cambio en las condiciones de adsorción.
Investigación sobre la adsorción de agua en MOFs
A pesar de la comprensión general de este principio, el conocimiento sobre los diversos comportamientos de adsorción de agua en los MOFs ha sido limitado. Un estudio reciente, publicado en el Journal of the American Chemical Society, liderado por el profesor Li-Chiang Lin de la Universidad Nacional de Taiwán, ha realizado una investigación computacional detallada sobre más de 200 MOFs seleccionados estratégicamente para desentrañar cómo ocurre la adsorción de agua en estos materiales.
Los investigadores utilizaron simulaciones avanzadas de Monte Carlo y análisis de estabilidad termodinámica, probabilidades de macroestado, perfiles de energía libre y redes de enlaces de hidrógeno. Los resultados revelaron una sorprendente diversidad de comportamientos de adsorción, incluyendo patrones de captación tanto graduales como repentinos, clasificados como isotermas no-S y S, respectivamente.
Entre los MOFs que presentan las deseadas isotermas en forma de «S», se identificaron comportamientos de fase distintos, lo que demuestra que diferentes materiales con comportamientos similares pueden seguir mecanismos fundamentalmente diferentes para la adsorción de agua. Además, se estableció una relación clara entre estos comportamientos de fase y la temperatura crítica del agua confinada dentro de los MOFs.
El equipo de Lin también logró correlacionar estos comportamientos con características químicas y estructurales específicas de los MOFs. Por ejemplo, los materiales con un calor de adsorción moderado mostraron una mayor probabilidad de exhibir una captación de agua abrupta. Asimismo, se determinó que el tamaño de los poros y la distribución de los sitios de adsorción influían en la agudeza y la posición del paso de captación.
En particular, para el último aspecto —la posición del paso de captación—, se desarrolló un nuevo descriptor denominado índice de conectividad. Este índice no solo considera la densidad, sino también la conectividad y la homogeneidad espacial de los sitios de adsorción, lo que se demostró que influye de manera significativa en la presión del paso de captación.
El profesor Lin enfatiza que este estudio proporciona una visión integral de los diversos comportamientos de adsorción en los MOFs, y los conocimientos obtenidos allanan el camino para el diseño racional de MOFs adaptados para la recolección de agua atmosférica. Esto podría permitir soluciones escalables y energéticamente eficientes para ayudar a satisfacer las crecientes necesidades hídricas del mundo.
Más información:
Shiue-Min Shih et al, Water Adsorption in Metal–Organic Frameworks: Characteristics, Mechanisms, and Structure–Property Relationships, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c10686
