Université de Californie, Berkeley, des chimistes ont créé un nouveau type de matériau à partir de millions de molécules identiques et imbriquées, qui permet pour la première fois la synthèse de structures 2D ou 3D étendues qui sont flexibles, solides et résilientes, comme la cotte de mailles qui protégeait chevaliers médiévaux.
Le matériau, appelé caténane infini, peut être synthétisé en une seule étape chimique.
Le chimiste français Jean-Pierre Sauvage a partagé le prix Nobel de chimie 2016 pour avoir synthétisé le premier caténane, deux anneaux liés. Ces structures ont servi de base à la fabrication de structures moléculaires capables de se déplacer, souvent appelées machines moléculaires.
Mais la synthèse chimique des caténanes est restée laborieuse. L’ajout de chaque cycle supplémentaire à un caténane nécessite un autre cycle de synthèse chimique. Au cours des 24 années écoulées depuis que Sauvage a créé une caténane à deux anneaux, les chimistes ont réalisé, tout au plus, seulement 130 anneaux entrelacés en quantités trop petites pour être vues sans microscope électronique.
Le nouveau type de caténane, produit dans le laboratoire d’Omar Yaghi, professeur de chimie à l’UC Berkeley, peut être produit avec un nombre illimité d’unités liées en trois dimensions. Étant donné que les unités individuelles s’imbriquent mécaniquement et ne sont pas reliées par des liaisons chimiques, les structures peuvent être fléchies sans se rompre.
Une vue 3D des éléments constitutifs de la caténane infinie synthétisée par les chimistes de l’UC Berkeley. Crédit : Tianqiong Ma, UC Berkeley
« Nous pensons que cela a des implications vraiment importantes, non seulement en termes de fabrication de matériaux résistants qui ne se fracturent pas, mais aussi de matériaux qui entreraient dans la robotique et l’aérospatiale et les combinaisons blindées et des choses comme ça », a déclaré Yaghi, James et Neeltje. Professeur titulaire de la chaire Tretter de chimie, codirecteur du Kavli Energy NanoSciences Institute et de la California Research Alliance de BASF, et scientifique en chef du Bakar Institute of Digital Materials for the Planet de l’UC Berkeley.
Yaghi et ses collègues, dont le premier auteur Tianqiong Ma, un boursier postdoctoral de l’UC Berkeley, ont rapporté les détails du processus chimique cette semaine dans la revue Synthèse naturelle.
Chimie réticulaire
Le bond en avant dans la production de caténane est possible grâce à un type de chimie que Yaghi a inventé il y a plus de 30 ans : la chimie réticulaire. Il le décrit comme « l’assemblage de blocs de construction moléculaires dans des structures cristallines étendues par des liaisons fortes ».
En utilisant cette technique, il a fabriqué des matériaux poreux peu coûteux – des cadres organométalliques (MOF) et des cadres organiques covalents (COF) – qui se révèlent utiles pour capturer, stocker ou séparer des gaz tels que le dioxyde de carbone, l’hydrogène et la vapeur d’eau. Plus de 100 000 variétés de MOF ont été fabriquées à ce jour.
Pour fabriquer des MOF, il suffit de synthétiser les bonnes molécules hybrides – des clusters métalliques connectés à un ligand organique – et de les mélanger dans une solution afin qu’elles se lient pour former un réseau 3D rigide et hautement poreux. Les groupes chimiques à l’intérieur de la charpente sont choisis pour lier et libérer, en fonction de la température, des molécules spécifiques et en rejeter d’autres.
Un MOF créé par Yaghi peut extraire l’eau même de l’air le plus sec, puis la libérer lorsqu’elle est chauffée, permettant la capture de l’eau dans les déserts.
Pour fabriquer des caténanes, Yaghi et Ma ont synthétisé une molécule avec un croisement entre deux moitiés identiques, liées de manière covalente par un atome de cuivre. La structure, ce qu’ils appellent un catena-COF, rappelle deux boomerangs liés avec un atome de cuivre où ils se croisent. Lorsqu’elles sont mélangées, ces molécules se lient pour former un réseau 3D poreux de blocs de construction imbriqués. Les blocs de construction, un type de molécule polyédrique appelée adamantane, verrouillent essentiellement leurs six bras pour former un cadre étendu.
« Ce qui est nouveau ici, c’est que les unités de construction ont ces croisements, et à cause des croisements, vous obtenez des systèmes de verrouillage qui ont des propriétés intéressantes, flexibles et résilientes », a déclaré Yaghi. « Ils sont programmés pour se réunir en une seule étape. C’est le pouvoir de la chimie réticulaire. Au lieu de les construire une unité à la fois pour créer une structure plus grande, vous les avez en fait programmés de manière à ce qu’ils se réunissent et se développent d’eux-mêmes. . »
La molécule avec un croisement peut être modifiée chimiquement afin que le caténane final interagisse avec des composés spécifiques. Yaghi appelle ces matériaux (∞) catenanes, en utilisant le symbole de l’infini.
« Je pense que c’est un premier pas vers la fabrication de matériaux qui peuvent fléchir et potentiellement se raidir en réponse à des stimuli, comme un mouvement particulier », a-t-il déclaré. « Ainsi, dans certaines orientations, il pourrait être très flexible, et dans certaines autres orientations, il pourrait devenir rigide, simplement à cause de la façon dont la structure est construite. »
Il a noté que si ces caténanes s’étendent dans trois directions au niveau microscopique, elles peuvent être suffisamment fines pour des utilisations bidimensionnelles, comme dans les vêtements. Récemment, certains scientifiques ont rapporté qu’ils avaient créé des MOF et des COF par impression 3D, il est donc possible d’imprimer en 3D des caténanes, un peu comme tisser un tissu.
« Traditionnellement, cet emboîtement s’est fait par un processus ardu en plusieurs étapes pour fabriquer uniquement des molécules qui ont un ou deux ou trois anneaux imbriqués, ou polyèdres. Mais pour fabriquer des matériaux qui ont des propriétés étonnantes, comme la ténacité et la résilience, vous avez besoin de millions et de millions de ces emboîtements à faire », a-t-il dit. « La manière traditionnelle de les fabriquer ne suffit pas. Et la chimie réticulaire intervient avec l’approche des blocs de construction et trouve un moyen de le faire en une seule étape. C’est vraiment la puissance de ce rapport. »
Plus d’information:
Tianqiong Ma et al, Cadres organiques covalents caténés construits à partir de polyèdres, Synthèse naturelle (2023). DOI : 10.1038/s44160-022-00224-z