Une technique séculaire de construction de fenêtres en pierre voûtées a inspiré une nouvelle méthode pour créer des fenêtres nanométriques sur mesure dans des matériaux poreux fonctionnels appelés cadres organométalliques (MOF). Cette approche innovante pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications dans les domaines médical, aérospatial et énergétique.
Les chercheurs de la King Abdullah University of Science & Technology (KAUST) ont développé une approche pour la conception des MOF qui s’inspire d’une technique architecturale ancienne. Ils ont utilisé une version moléculaire d’un gabarit de coffrage de centrage pour diriger la formation de MOF avec des fenêtres de pores de formes et de tailles prédéterminées.
Des MOF aux applications variées
Les nouveaux MOF conçus et fabriqués de cette manière vont des matériaux à fenêtres étroites, présentant un potentiel de séparation des gaz, aux structures à fenêtres plus larges, ayant des applications médicales potentielles en raison de leur excellente capacité d’adsorption de l’oxygène.
« L’un des objectifs les plus difficiles dans 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.
Des agents de centrage pour contrôler la formation des MOF
L’équipe a développé des agents de centrage pour diriger la structure (cSDA) afin de contrôler l’alignement des supertétraèdres (ST) et de 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, a donné de plus grandes fenêtres.
Des performances améliorées pour diverses applications
Un ZMOF à grande fenêtre conçu par l’équipe, le Fe-sod-ZMOF-320, a montré la plus haute capacité d’adsorption d’oxygène de tous les MOF connus.
« Cette propriété est importante dans les industries médicale et aérospatiale, où la haute capacité augmenterait le stockage d’oxygène dans un cylindre ou permettrait des cylindres plus petits pour un transport plus facile », commente Marina Barsukova, postdoctorante dans l’équipe d’Eddaoudi.
Les mêmes ZMOF ont également bien performé 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 pour la séparation des gaz de mélanges moléculaires.
En synthèse
L’approche de centrage développée par les chercheurs de la KAUST constitue une nouvelle stratégie puissante dans le répertoire de la chimie réticulaire. Elle offre un grand potentiel pour la création de MOF sur mesure pour des applications dans la sécurité énergétique et la durabilité environnementale. Cette avancée pourrait ainsi contribuer à relever certains des défis les plus pressants de notre époque.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce qu’un cadre organométallique (MOF) ?
Un cadre organométallique (MOF) est un matériau poreux fonctionnel composé d’ions métalliques et de ligands organiques. Les MOF sont connus pour leur grande surface spécifique et leur porosité, ce qui les rend utiles dans diverses applications, telles que la séparation des gaz, le stockage d’énergie et la catalyse.
2. Comment l’architecture ancienne a-t-elle inspiré cette nouvelle méthode ?
Les chercheurs de la KAUST se sont inspirés d’une technique séculaire de construction de fenêtres en pierre voûtées pour créer des fenêtres nanométriques sur mesure dans les MOF. Ils ont utilisé une version moléculaire d’un gabarit de coffrage de centrage pour diriger la formation de MOF avec des fenêtres de pores de formes et de tailles prédéterminées.
3. Quels sont les avantages des MOF conçus avec cette nouvelle méthode ?
Les MOF conçus avec cette nouvelle méthode présentent des fenêtres de pores de tailles et de formes variées, allant des matériaux à fenêtres étroites pour la séparation des gaz aux structures à fenêtres plus larges pour des applications médicales, grâce à leur excellente capacité d’adsorption de l’oxygène.
4. Quelles sont les applications potentielles des MOF conçus avec cette méthode ?
Les MOF conçus avec cette méthode ont un potentiel d’application dans les industries médicale, aérospatiale et énergétique. Par exemple, un ZMOF à grande fenêtre, le Fe-sod-ZMOF-320, a montré la plus haute capacité d’adsorption d’oxygène de tous les MOF connus, ce qui est important pour le stockage d’oxygène dans les cylindres médicaux et aérospatiaux.
5. Quelle est la portée de cette nouvelle approche pour la chimie réticulaire ?
L’approche de centrage développée par les chercheurs de la KAUST constitue une nouvelle stratégie puissante dans le répertoire de la chimie réticulaire. Elle offre un grand potentiel pour la création de MOF sur mesure pour des applications dans la sécurité énergétique et la durabilité environnementale, contribuant ainsi à relever certains des défis les plus pressants de notre époque.
Légende de l’image principale : Les chercheurs de la KAUST ont développé une nouvelle approche pour la conception des MOF offrant de multiples avantages pour améliorer les performances des MOF. Crédit : © 2023 KAUST.
Publication évaluée par des pairs : (KAUST). « Face-directed assembly of tailored isoreticular MOFs using centring structure-directing agents ». Nature Synthesis, DOI : 10.1038/s44160-023-00401-8. Date de publication : 2 octobre 2023.
