Des cristaux poreux appelés structures métallo-organiques, constitués de pores nanoscopiques d’une densité incroyablement élevée, constituent d’excellents réceptacles pour le stockage du gaz naturel. Mais comment les sélectionner lorsque l’on sait qu’il existe des millions de structures différentes ?
Une équipe de recherche de l’Université de Northwestern située à Chicago, dans l’État de l’Illinois (États-Unis) a développé une méthode de calcul permettant à des scientifiques et à des ingénieurs de gagner un temps précieux dans ce processus de découverte. L’étude a été publiée le 6 novembre dans la revue Nature Chemistry.
En effet, le nouvel algorithme génère et test automatiquement de façon très rapide les hypothétiques structures métallo-organiques (MOF : metal-organic frameworks), afin de se préoccuper des structures les plus prometteuses. Ces MOF seront ensuite synthétisées et testées en laboratoire.
En utilisant leur méthode, les chercheurs ont rapidement identifié plus de 300 MOF différents qui seraient meilleures que tout autre matériau connu pour le stockage du méthane. Les chercheurs ont ensuite synthétisé l’un des matériaux les plus probants, surpassant (+10%) le modèle cible de densité de stockage de gaz naturel détenu par le ministère américain de l’Énergie (DOE).
Il y a déjà 13 millions de véhicules sur la route aujourd’hui qui fonctionnent au gaz naturel dans le monde entie et ce nombre devrait augmenter considérablement en raison des récentes découvertes de réserves de gaz naturel.
En complément des applications de stockage et des véhicules qui fonctionnent à des carburants "plus propres", le MOF peut également conduire à une meilleure gestion des médicaments, des capteurs chimiques, des matériaux de capture (CO2) et des catalyseurs. Les MOF candidates pour ces applications ont pu être analysées efficacement en utilisant la méthode de Northwestern.
"Quand notre compréhension des matériaux de synthèse approche du seuil fatidique auquel nous sommes capables de créer quasi-n’importe quel matériau, une question se pose alors : Quels matériaux doit-on synthétiser ?" , a déclaré Randall Q. Snurr, professeur de génie chimique et biologique à l’école McCormick.
Pour Christopher E. Wilmer, étudiant diplômé et auteur principal de l’article qui a développé le nouvel algorithme : "Actuellement, les chercheurs choisissent de créer de nouveaux matériaux basés sur leur imaginaire à savoir comment les structures atomiques pourraient ressembler. L’algorithme accélère grandement ce processus en réalisant de telles «expériences de pensée» sur des supercalculateurs."
A partir d’une bibliothèque de 102 composants chimiques, les chercheurs ont pu déterminer parmi ces millions de MOF, quels blocs étaient les plus prometteurs pour stocker du gaz naturel. En seulement 72 heures, les chercheurs ont généré plus de 137 000 structures candidates. Ce nombre est beaucoup plus élevé que le nombre total de MOF rapporté par tous les chercheurs à ce jour (environ 10 000 MOF). L’équipe du Northwestern, a ensuite réduit ce nombre à 300 pour des applications appropriées à la haute pression et au stockage du méthane à température ambiante.
