Metal-Organic Framework - De nouveaux matériaux hybrides

Un article très complet, sous forme d'interview dans la revue en ligne Paris Innovation Review, nous dit tout sur cette famille de matériaux qui permettent d'hybrider la chimie organique et les métaux pour des nouvelles applications (médical, stockage de gaz, ...).

Une nouvelle chimie
Depuis les années 1990, la chimie a appris à synthétiser des polymères hybrides, associant des métaux et des molécules organiques. Une course s’est engagée entre les laboratoires pour identifier les plus intéressants de ces nouveaux matériaux nanoporeux et breveter leurs procédés de synthèse. Les usages industriels sont en train de s’inventer. C’est devenu un domaine de recherche important, dans lequel 3 ou 4000 articles sont publiés chaque année.

Plus de variations possibles qu'avec les métaux
C’est dans les années 1990 qu’a eu lieu une rupture. Celle-ci vient de la chimie organo-métallique, qui apprend à synthétiser des polymères « de coordination » : un métal, une brique organique, un métal, une brique organique… et ainsi de suite. On découvre alors que certains de ces polymères forment une architecture tri-dimensionnelle qui peut être poreuse. À l’époque, c’est plutôt une curiosité.

À partir des années 2000 naît le concept de metal-organic framework, qui est le nom sous lequel on le connaît aujourd’hui. Un chercheur américain, Omar Yaghi, se rend compte que l’on peut exploiter cette porosité : les performances des « MOF » ne sont pas très différentes des matériaux inorganiques habituels, mais ils présentent beaucoup plus de variabilité. Tout simplement parce qu’au lieu de liaisons Si–O ou Al–O, chaque molécule organique au sein du matériau peut être fonctionalisée. Elle peut être substituée, modifiée par un ou plusieurs groupes chimiques ayant une fonction propre. Si par exemple on souhaite un matériaux avec des pores plus grands, on espace davantage les métaux, en choisissant des molécules organiques qui ont la même chimie mais qui sont plus longues.

Si on a besoin dans le matériau d’un groupe chimique particulier qui va se lier au CO2, par exemple une fonction amine, on le greffe sur la molécule organique, et chaque molécule organique du matériau se trouve dotée d’une fonction amine. Le matériau est ainsi doté d’une grande capacité pour la capture du CO2. On va donc pouvoir appliquer à ces matériaux toute la finesse de la chimie organique, et cela ouvre la possibilité de créer de nouveaux matériaux à façon.

Trois laboratoires leaders dans le domaine
Il y a trois laboratoires majeurs : celui de Omar Yaghi à Berkeley, celui de Susumu Kitagawa à Kyoto, et l’Institut Lavoisier de Gérard Férey à Versailles. Ce sont les trois pionniers. Yaghi vraiment lancé le concept de ce jeu de Lego moléculaire et popularisé le terme. Son équipe s’est spécialisée dans l’identification, par exemple, des matériaux avec la plus grande capacité de stockage de gaz tels que le méthane, l’hydrogène et le CO2, sous l’impulsion et le financement du Department of Energy américain.

Les applications en médicale, en stockage de CO2
Les premiers domains d'applications concernent le médical. Les matériaux nano-poreux offrent une voie possible pour qu’après injection, ou absorption, du médicament, la dose délivrée reste constante pendant une semaine entière. Pour des applications cliniques, cela fait une différence significative, à la fois en efficacité et en limitation des effets secondaires – un point majeur, par exemple en cancérologie. Mais il existe également 3 domaines d'applications hors médical. Le premier est la capture stockage, du CO2 en particulier.

L’enjeu est de piéger le gaz, pour ensuite l’enfouir, avec une perspective éventuelle mais lointaine de réutilisation. Le second est la séparation : par exemple les composés soufrés dans le gaz naturel, le monoxyde de carbone en sortie des cheminées d’usine. La troisième est la capture–dégradation, dont l’exemple le plus connu est le pot catalytique : la température à l’intérieur du pot amène les molécules visées à se fixer sur le métal du pot, mais aussi à se dégrader en composés moins nocifs, voire inoffensifs. Les MOF ont cette capacité, et on a vu passer quelques articles prometteurs sur la capture puis dégradation d’agents neurotoxiques – ce qui ouvre sur des applications en cartouche de filtration en zone de guerre ou zone contaminée.

Source : www.parisinnovationreview.com