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Sciences

MOF: Dame Nature, cette visionnaire

27-10-2016

En inventant les réseaux métallo-organiques, les chercheurs se croyaient bien malins. Ces matériaux artificiels, synthétisés pour la première fois en 1992, sont des cristaux composés à la fois de molécules organiques (à base de carbone et d’hydrogène) et d’ions métalliques, comme l’aluminium ou le fer.

Leur structure nanoporeuse, flexible, leur permet de capturer des gaz, comme l’hydrogène ou le CO2, mais aussi de faciliter les réactions chimiques ou de démultiplier les capacités de calcul des composantes électroniques. Inutile de dire qu’ils suscitent un vif engouement chez les industriels, notamment auprès des compagnies gazières et des constructeurs automobiles, qui y voient une façon de stocker le gaz naturel; ou des compagnies pharmaceutiques qui pourraient les utiliser pour administrer des médicaments ou accélérer leur fabrication.

Chaque année, des milliers de nouveaux assemblages de ces cristaux, appelés couramment MOF (pour metal-organic frameworks), sont mis au point, avec une kyrielle d’applications potentielles. Mais aussi innovants soient-ils, les MOF n’ont pas attendu l’humain pour exister. C’est ce qu’a découvert Tomislav Friščić, professeur de chimie à l’Université McGill.

Après six ans de recherches intensives, il a mis la main, en 2016, sur d’étranges minéraux. Leurs noms ? Le stepanovite et le – accrochez-vous ! – zhemchuzhnikovite, découverts respectivement en 1942 et 1963 par des géologues russes, au fond d’une mine de charbon sibérienne. « En 2010, je suis tombé sur un article mentionnant ces minéraux dans la revue Canadian Mineralogist. Leurs structures n’étaient pas décrites, mais il y avait leurs formules chimiques qui m’ont semblé proches de celles des MOF développés dans les années 1990 », relate le chercheur.

Sa curiosité piquée, il entreprend de retrouver la trace desdits échantillons. Plus facile à dire qu’à faire !

Après quatre ans de démarches infructueuses auprès de diverses sources universitaires et commerciales, une piste prometteuse obtenue auprès d’un vendeur de minéraux russe tombe à l’eau en 2014.

L’équipe de McGill décide alors de synthétiser elle-même les mystérieux cristaux. « La description originale était très détaillée, fournissant non seulement la formule et la morphologie des cristaux, mais aussi des informations préliminaires sur leurs structures, obtenues avec les moyens de l’époque », précise le professeur Friščić. En 2015, Igor Huskić, un de ses étudiants, parvient à les produire au laboratoire, et montre leur capacité à absorber et relâcher de petites molécules. Bingo ! C’est justement une propriété caractéristique des MOF.

Pour l’équipe, c’est clair : des MOF existent dans la nature. Une vraie surprise ! «Hélas, on n’a pas pu publier le résultat de ces travaux, car les éditeurs de revues scientifiques avaient tous des doutes quant à l’existence de ces minéraux à l’état natif. La description initiale avait été publiée il y a trop longtemps; qui plus est en cyrillique dans un journal russe», poursuit le chercheur. Mais pas question de baisser les bras !

Un collègue vénézuélien le met finalement en contact avec des scientifiques de l’université de Saint-Pétersbourg. Ceux-ci trouvent les échantillons originaux au Musée des mines de leur ville et analysent leur structure par cristallographie aux rayons X. Résultat ? Ce sont bien des MOF, dont la structure est identique à celle du stepanovite et du zhemchuzhnikovite.

Trouvées dans le pergélisol à 230 m sous terre, au milieu du charbon, ces « éponges » mi-organiques, mi-minérales ne supplanteront toutefois pas les MOF de synthèse. « Ces minéraux sont très rares, et beaucoup moins sophistiqués que les MOF commerciaux, précise le chimiste. Mais d’autres pourraient exister ailleurs, de façon plus abondante. Et nous étudions en ce moment les propriétés de ces MOF, car même si leur structure est primitive, ils peuvent nous réserver des surprises ! »

Une chose est sûre, si les géologues avaient pu déterminer les structures du stepanovite et du zhemchuzhnikovite en les déterrant il y a 50 ou 70 ans, la mise au point de MOF synthétiques « aurait pu être devancée de 30 ans ».

Semblables à de minuscules cages construites sur mesure, les MOF sont criblés de pores et de tunnels, qui leur confèrent une immense surface interne. Ainsi, la superficie de 1 g de MOF peut atteindre 5 000 m2, soit la taille d’un terrain de football ! D’où leur capacité à capturer et stocker d’autres molécules. À titre d’exemple, un MOF appelé MIL-101 peut adsorber 400 fois son volume de CO2.

 

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