Les matériaux réactifs qui s’illuminent, se déplacent ou changent de forme en réponse à des stimuli moléculaires externes sont sur le point de bouleverser toute une série de technologies.
Des doigts robotiques souples capables de saisir et de relâcher délicatement des objets fragiles à la demande aux moniteurs luminescents de la qualité de l’eau qui s’assombrissent pour signaler la présence de contaminants, de nombreux dispositifs intelligents pourraient être dérivés d’une nouvelle famille de matériaux moléculaires réactifs aux stimuli en plein essor, appelés cages poreuses.
« Ces entités moléculaires sensibles aux stimuli nous permettent de fabriquer des matériaux intelligents capables de réagir automatiquement aux signaux ou aux changements de leur environnement », indique Niveen Khashab, du Smart Hybrid Materials Lab de la KAUST. En tant que pionnière dans la recherche sur les cages poreuses sensibles aux stimuli, Mme Khashab a été invitée à partager son point de vue d’experte sur ce domaine en pleine expansion.
« Les cages poreuses sont des structures moléculaires discrètes et creuses qui peuvent accueillir de petites molécules « invitées » dans leur cavité centrale », explique-t-elle. L’accueil d’une molécule invitée déclenche des changements structurels et de propriétés dans la cage poreuse, permettant des fonctions utiles telles que le mouvement ou le changement de couleur. « Notre principale contribution dans ce domaine a été la conception et la synthèse d’hôtes moléculaires capables de reconnaître un large éventail de molécules invitées et donc de réagir aux changements au niveau moléculaire. »
Khashab ajoute que ces travaux ont conduit à la création de gels et de pâtes intelligents dont les applications vont de l’agriculture intelligente à la cicatrisation des plaies.
Contrairement à d’autres matériaux hôtes tels que les structures métallo-organiques (MOF), l’un des principaux avantages des cages poreuses est qu’elles se dissolvent facilement dans les solvants organiques, ce qui permet de les incorporer facilement dans divers dispositifs. À l’état dissous, les cages poreuses peuvent être appliquées sur des surfaces, mélangées à d’autres matériaux tels que les plastiques, ou directement réticulées pour créer des matériaux intelligents dotés d’un revêtement ou d’un noyau dynamique et sensible aux stimuli.
Le potentiel de développement de dispositifs sophistiqués à partir de ces matériaux a incité les deux coauteurs de Khashab, les chercheurs postdoctoraux Peiren Liu et Fang Fang, à rejoindre son laboratoire. Fang ajoute : « Ce qui nous a intrigués tous les deux, c’est la possibilité d’intégrer des systèmes moléculaires cage hôte-invité à des polymères, traduisant ainsi la réactivité au niveau moléculaire en comportements fonctionnels tangibles et macroscopiques. »
Liu et Fang ont codirigé les travaux de laboratoire sur la dernière contribution de l’équipe dans ce domaine, à savoir de nouvelles cages poreuses à base d’urée, qu’ils ont combinées avec un polymère pour créer un film réactif aux stimuli. Lorsqu’il était exposé à des vapeurs organiques, les deux extrémités du film se recroquevillaient l’une vers l’autre à mesure que les molécules invitées provenant de la vapeur étaient absorbées par le film. L’équipe a utilisé ce matériau pour construire des doigts robotiques souples qui saisissent et relâchent des objets en réponse à des signaux de vapeur spécifiques.
L’article de synthèse de l’équipe KAUST a mis en évidence les progrès réalisés dans ce domaine. Ces développements comprenaient des membranes à cage poreuse à perméabilité commutable pour des applications de purification chimique, ainsi que des cages poreuses décorées d’une chaîne latérale émettrice de lumière qui subissait un changement d’émission lumineuse en même temps que l’absorption de molécules hôtes spécifiques, telles que les contaminants courants dans les réserves d’eau.
« Les applications potentielles des cages poreuses sont diverses », conclut M. Liu. « Je pense que les utilisations les plus intéressantes de ces matériaux dans le monde réel se trouvent dans la robotique souple, en particulier dans le développement de muscles artificiels, et dans les dispositifs portables pour la surveillance environnementale et les soins de santé. »
Liu, P., Fang, F., Khashab, N. M. Porous cages: From molecular host-guest interactions to macroscopic smart materials. Matter8, 102130 (2025). DOI : 10.1016/j.matt.2025.102130.
Source : KAUST
