Le prix Nobel de chimie décerné à des matériaux cristallins susceptibles de révolutionner la technologie verte

Trois scientifiques ont reçu le prix Nobel de chimie 2025 pour avoir découvert une nouvelle forme d'architecture moléculaire : des cristaux contenant de grandes cavités.

Susumu Kitagawa de l'Université de Kyoto, au Japon, Richard Robson de l'Université de Melbourne, en Australie, et Omar M. Yaghi de l'Université de Californie à Berkeley, aux États-Unis, se partageront un prix de 11 millions de couronnes suédoises (870 000 £).

Le prix récompense les contributions pionnières des trois scientifiques dans le développement de ce qu'on appelle les cadres métallo-organiques (Mofs). Les Mofs sont une classe diversifiée de matériaux cristallins qui ont attiré beaucoup d'attention en chimie en raison de la présence de cavités microscopiques ouvertes dans leurs structures. Ils contribuent à révolutionner les technologies vertes, telles que la récupération de l’eau de l’air du désert et la capture du CO₂.

Les largeurs des cavités peuvent aller de quelques angströms (un angström est une unité de longueur égale à un cent millionième de centimètre) à plusieurs nanomètres (un millionième de millimètre). Cela signifie qu’ils sont beaucoup trop petits pour être vus à l’œil nu ou même avec la plupart des microscopes. Mais ils ont la taille idéale pour abriter diverses molécules.

Le développement des Mofs remonte à la fin des années 1950, lorsque les chercheurs ont commencé à découvrir des « polymères de coordination ». Ce sont des matériaux constitués de chaînes liées d’ions métalliques (atomes qui ont perdu ou gagné des électrons) et de molécules de pontage à base de carbone appelées lieurs. Ces matériaux ne contenaient pas de cavités, mais ils étaient basés sur la même chimie organométallique qui donnerait plus tard naissance aux Mofs.

À la fin des années 1980, le groupe de recherche de Robson a rapporté que certains polymères de coordination pouvaient être préparés sous forme de structures de type charpente dans lesquelles, de manière cruciale, les agents de liaison à base de carbone formaient des arrangements tridimensionnels autour d'amas de molécules de solvant liquide. Comme mentionné dans l'article de recherche de Robson, cela a révélé « une situation inhabituelle dans laquelle environ les deux tiers du contenu de ce qui est sans aucun doute un cristal sont effectivement liquides ».

Au milieu des années 1990, le groupe de Yaghi a démontré qu'il était possible de préparer des polymères de coordination qui conservaient leurs structures même après que les molécules de solvant aient été retirées des cavités. Il s’agit d’un résultat surprenant, qui a dissipé l’hypothèse dominante selon laquelle ces structures sont fragiles et s’effondreraient si le solvant était éliminé.

En 1997, le groupe de recherche de Kitigawa a montré que les cavités ouvertes pouvaient être utilisées pour absorber des molécules de gaz. Il a également montré que, dans de nombreux cas, la structure elle-même se dilate à mesure que les molécules de gaz y sont absorbées et se contracte à mesure qu'elles sont libérées. Ces polymères de coordination dotés de cavités ouvertes et permanentes sont désormais connus sous le nom de Mofs.

Les découvertes des trois scientifiques ont effectivement marqué la naissance de la chimie Mof moderne, avec plusieurs milliers d'articles de recherche publiés depuis.

Large gamme d'applications

Pourquoi les Mofs sont-ils si intéressants pour les chimistes ? Les cavités microscopiques du Mofs offrent un emplacement unique et contrôlable pour la chimie. Une application clé de Mofs est le stockage de gaz. Dans de nombreux cas, ces matériaux peuvent contenir des gaz à des densités beaucoup plus élevées que dans leur état gazeux libre.

Cela offre des avantages significatifs pour les technologies vertes telles que les véhicules alimentés par pile à combustible, dans lesquels l'hydrogène doit être transporté aussi efficacement que possible. De nombreux Mof fonctionnent particulièrement bien pour des gaz spécifiques, ce qui signifie qu'ils peuvent également aider à séparer les mélanges gazeux dans les flux d'échappement ou à capturer le CO₂ de l'air pour atténuer les effets du réchauffement climatique.

Les Mofs peuvent également agir comme catalyseurs efficaces pour les réactions chimiques se déroulant dans les cavités. L’un des principaux avantages des Mofs en tant que catalyseurs est qu’il est relativement simple pour les chimistes de changer et d’échanger les métaux et les agents de liaison à base de carbone afin d’ajuster les propriétés dans un but particulier.

En plus des molécules de gaz, les Mofs peuvent également accueillir d'autres petites molécules, telles que des produits pharmaceutiques. Cela signifie qu’ils peuvent être utilisés pour stocker et administrer des médicaments à une cible particulière, où leur nature poreuse permet une libération contrôlée de produits chimiques thérapeutiques.

Ces dernières années, les Mofs se sont montrés prometteurs pour de nombreuses autres applications, notamment les batteries, le stockage d'énergie thermique et les capteurs chimiques (dispositifs capables de surveiller et de détecter des produits chimiques tels que des contaminants). Il est intéressant de noter qu’il reste de nombreuses autres applications qui doivent encore être explorées.

Bien qu'ils aient été découverts il y a plus de trois décennies, les Mofs restent l'un des domaines de recherche les plus en vogue en chimie des matériaux et le resteront sans aucun doute pendant de nombreuses années à venir.

John Griffin, professeur de chimie des matériaux, Université de Lancaster