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Étape intermédiaire de la synthèse d'une membrane, avant que les interstices entre les cristaux ne soient comblés pour créer une couche compacte et continue de matériaux ultraporeux, de type « metal organic framework » (ou MOF). Martin Drobek, Fourni par l'auteur

Images de science : de nouveaux matériaux pour piéger ou tamiser les molécules

Cette image a été prise lors de la formation d’une membrane de matériau ultraporeux, qui permet de « tamiser » les molécules ou de les piéger. Ces matériaux sont notamment développés pour la séparation de mélanges de gaz, la dépollution de l’air ou de l’eau, ou l’administration des principes actifs de médicaments plus efficacement.

Ces matériaux sont composés de briques élémentaires qui forment des maillages d’une impressionnante diversité. Les briques peuvent être assemblées à façon comme un véritable « jeu de Lego » à l’échelle nanométrique.

Elles sont constituées d’ions métalliques reliés entre eux par des molécules organiques jouant le rôle de ciment et d’espaceur. Ces réseaux, dits « métallo-organiques » (ou « MOFs » pour metal organic framework en anglais), permettent la formation de structures moléculaires en nombre quasi-illimité et aux propriétés physiques et chimiques ajustables. Certains « MOFs » peuvent accueillir et transporter de petites molécules de gaz, comme l’hydrogène, d’autres peuvent piéger et restituer de grosses molécules, par exemple des principes actifs de médicaments.

Leur nature hybride, à la fois organique et inorganique, confère aux « MOFs » une structure très souple. Leur porosité extrêmement élevée, avec un maillage de petits pores réguliers et bien ordonnés, explique leur faible densité et leur grande surface interne accessible, de la taille d’un terrain de foot pour un seul gramme de matériau ! Une telle surface – plusieurs milliers de mètres carrés – dépasse largement celle des matériaux poreux de référence, comme les zéolithes ou les charbons actifs.

La plupart des « MOFs » sont, par défaut, préparés et utilisés sous forme de poudres, mais pour exploiter au mieux leur potentiel applicatif à grande échelle et au niveau industriel, une « mise en forme », par exemple en granulés ou couches minces, est généralement requise et les coûts de production doivent être compétitifs.

Tamiser les molécules à travers un réseau poreux très sélectif

À l’Institut européen des membranes à Montpellier, nous nous intéressons à ces matériaux pour le développement de membranes permettant de séparer des mélanges de gaz par un effet de « tamisage moléculaire ». Déposées en surface de capteurs de gaz, de telles membranes permettent notamment d’améliorer la sélectivité de la détection de gaz toxiques ou explosifs, grâce à leur transport préférentiel dans les pores.

En modulant la longueur des molécules organiques qui relient les centres métalliques, on peut ajuster la taille des pores. La majorité des « MOFs » sont microporeux (pores de diamètre inférieur à 2 nanomètres) et leurs pores peuvent accueillir et transporter, outre l’hydrogène, d’autres petites molécules de gaz ou de vapeurs tels que l’eau, l’oxygène ou le dioxyde de carbone.

Actuellement, nous portons une attention particulière aux détecteurs d’hydrogène en relation avec les problèmes de sécurité posés par la production, le transport, le stockage et l’utilisation de ce gaz. La stratégie consiste à recouvrir le matériau sensible du capteur avec une couche d’un type de « MOFs » spécifique. L’effet séparatif de ce tamis moléculaire permet à l’hydrogène de diffuser facilement jusqu’au capteur tout en rejetant les autres gaz du mélange.

Piéger des molécules comme dans des cages

Toutefois, étant donnée la diversité des structures et fonctionnalités possibles, le champ d’application des « MOFs » est bien plus large. En effet, leurs pores correspondent aux dimensions d’une large diversité de molécules courantes et ils peuvent être utilisés comme des éponges à nano-cages pour l’adsorption sélective de ces molécules.

Pour ces applications, on s’intéresse aussi à des « MOFs » mésoporeux (diamètre supérieur à 2 nanomètres). Leur principal atout repose sur la possibilité de les utiliser pour encapsuler des systèmes moléculaires de grande taille, par exemple des protéines ou des médicaments, des nanoparticules ou des assemblages « macromoléculaires » (groupement de molécules géantes).

On peut donc envisager le développement d’architectures complexes de type « MOFs » pour stocker et produire de l’énergie, dépolluer l’air ou l’eau par l’adsorption sélective de composés nocifs ; ou dans le domaine de la santé, par exemple pour la distribution contrôlée de principes actifs.

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