Une technique vieille de plusieurs siècles pour la construction de fenêtres cintrées en pierre a inspiré une nouvelle façon de former des fenêtres à l’échelle nanométrique sur mesure dans des matériaux fonctionnels poreux appelés structures métallo-organiques (MOF).
Le procédé utilise une version moléculaire d’un modèle de « coffrage de centrage » de formation d’arc architectural pour diriger la formation de MOF avec des fenêtres de pores de forme et de taille prédéterminées. Les nouveaux MOF conçus et fabriqués de cette manière vont des matériaux à fenêtre étroite avec un potentiel de séparation des gaz aux structures à fenêtre plus grande avec des applications médicales potentielles en raison de leur excellente capacité d’adsorption d’oxygène.
« L’un des objectifs les plus difficiles de la conception de nouvelles structures est le contrôle précis de la formation de la structure », explique Aleksandr Sapianik, postdoctorant dans le groupe de Mohamed Eddaoudi, qui a dirigé la recherche. Pour la chimie réticulaire (l’assemblage de blocs de construction moléculaires dans des matériaux cristallins poreux tels que les MOF), le concept de coffrage de centrage pourrait offrir ce contrôle précis, a réalisé l’équipe.
Le point de départ de la recherche était un MOF de type zéolite (ZMOF), qui comporte généralement des fenêtres pentagonales encadrées par des blocs de construction appelés supertétraèdres (ST). « Notre objectif était de contrôler l’arrangement ST pour passer de cette topologie bien connue à une topologie non rapportée auparavant avec ces éléments de base », explique Sapianik.
L’équipe a développé des agents directeurs de structure de centrage (cSDA) pour contrôler l’alignement ST et former des fenêtres ZMOF de nouvelles formes et tailles. Un ensemble de cSDA, conçu pour resserrer l’angle entre les unités ST adjacentes, a créé de petites fenêtres. Un autre ensemble, conçu pour élargir l’angle entre les unités ST, offrait des fenêtres plus grandes.
« La taille et le volume des pores des MOF sont des paramètres importants qui affectent leur application », explique Marina Barsukova, postdoctorante dans l’équipe d’Eddaoudi. Un ZMOF à grande fenêtre conçu par l’équipe, Fe-sod-ZMOF-320, a montré la capacité d’adsorption d’oxygène la plus élevée de tous les MOF connus.
« Cette propriété est importante dans les industries médicale et aérospatiale, où la capacité élevée augmenterait le stockage de l’oxygène dans une bouteille ou permettrait des bouteilles plus petites pour un transport plus facile », explique Barsukova. Les mêmes ZMOF ont également donné de bons résultats pour le stockage du méthane et de l’hydrogène, qui sont des carburants potentiels. D’autres ZMOF de la famille avec des fenêtres étroites ont montré un potentiel de séparation gazeuse de mélanges moléculaires.
Le concept cSDA offre de multiples avantages améliorant les performances du MOF, explique Vincent Guillerm, chercheur scientifique au sein du groupe d’Eddaoudi. « Le cSDA divise les grandes fenêtres en fenêtres plus petites, ce qui, selon nos résultats préliminaires, sera utile pour les séparations chimiques », dit-il. « Il offre également une surface de pores internes supplémentaire, ce qui peut contribuer à améliorer le stockage du gaz, et renforce la structure MOF, ce qui devrait améliorer la stabilité du matériau », ajoute-t-il.
« L’approche de centrage que nous avons développée constitue une autre stratégie puissante dans le répertoire de la chimie réticulaire, offrant un grand potentiel pour les MOF fabriqués sur commande pour des applications en matière de sécurité énergétique et de durabilité environnementale », explique Eddaoudi.
La recherche apparaît dans Synthèse naturelle.
Plus d’information:
Barsukova, M. et al, Assemblage dirigé par le visage de MOF isoréticulaires sur mesure à l’aide d’agents directeurs de structure de centrage, Synthèse naturelle (2023). DOI : 10.1038/s44160-023-00401-8. www.nature.com/articles/s44160-023-00401-8