Au cœur du Nobel de chimie, des matériaux capables de piéger les gaz

Absorber les gaz à effet de serre, piéger les PFAS, produire de l'eau à partir de l'air... le Nobel de chimie a récompensé mercredi la découverte de nouveaux matériaux poreux aux applications potentiellement révolutionnaires.

Que sont ces nouveaux matériaux ?

"Imaginez la Tour Eiffel", explique à l'AFP David Farrusseng, chercheur du CNRS à l’Institut de recherches sur la catalyse et l'environnement de Lyon. "En imbriquant toutes les poutres de fer, horizontales, verticales, diagonales, on voit apparaître des cavités": c'est ce qu'ont fait les lauréats du Nobel à l'échelle moléculaire.

Pour ces constructions miniatures, le Japonais Susumu Kitagawa, Richard Robson, né en Grande-Bretagne, et l'Américano-Jordanien d’origine palestinienne Omar M. Yaghi, ont utilisé comme poutres des molécules organiques - essentiellement composées de carbone - et comme rivets des ions métalliques.

Ces structures - appelées "cadres métalliques organiques" ou MOF - peuvent stocker d'énormes quantités de gaz dans leurs cavités. "Quelques grammes - l'équivalent d'un petit cube de sucre - possèdent une surface interne aussi grande qu'un terrain de football", a souligné le Comité Nobel, estimant que le MOF pourrait devenir "le matériau du XXIe siècle".

Un peu comme une éponge, il peut absorber dans ses pores toutes sortes d'atomes ou de molécules: du dioxyde de carbone, du méthane, de l'hydrogène, de l'eau... Et comme une éponge, il est possible de l'essorer pour faire ressortir ces éléments.

Mais pour parvenir à ce résultat, "le grand challenge a été de faire des constructions qui laissent beaucoup d'espace au milieu, tout en ayant des architectures stables qui ne s'effondrent pas à la moindre contrariété", raconte à l'AFP François-Xavier Coudert chercheur CNRS à l'Institut de recherche de chimie de Paris.

Qu'ont fait les Nobel ?

Même si on connaissait déjà des structures similaires, la capacité à les fabriquer de manière prévisible restait très difficile à atteindre.

C'est Richard Robson qui, à la fin des années 1980, a eu le premier l'idée de combiner des ions métalliques et des molécules organiques, en s'inspirant de la structure du diamant.

Quelques années plus tard, Susumu Kitagawa a réussi à démontrer que ces matériaux pouvaient effectivement absorber des gaz et à obtenir des MOF flexibles, capables de changer de forme.

A peu près à la même époque, Omar Yaghi est parvenu à créer une structure ayant une surface interne gigantesque et dont la composition pouvait être modifiée tout en restant extrêmement stable. Ce qui a permis de créer de grandes familles de MOF ayant des propriétés différentes.

Plus de 100.000 MOF ont été trouvés depuis et 500 sont créés chaque mois, selon une base de données de l'université de Cambridge (Grande-Bretagne).

Quelles applications ?

"C'est un domaine qui suscite un engouement incroyable et qui va extrêmement vite. Ça ne reste pas juste dans un laboratoire. Il y a beaucoup de start-ups qui sont créées et des start-ups qui vendent des produits formés", témoigne Thierry Loiseau, chercheur du CNRS dans l'Unité de catalyse et de chimie du solide.

Des MOF sont utilisés pour contenir certains gaz toxiques nécessaires à la fabrication de semi-conducteurs, d'autres pour décomposer des gaz nocifs ou ralentir le mûrissement des fruits.

"Quarante entreprises développent actuellement ces matériaux pour des usages tels que la capture du dioxyde de carbone (CO2), la délivrance de médicaments ou le stockage de l'hydrogène", indique David Fairen-Jimenez, spécialiste des MOF à Cambridge.

Le groupe chimique BASF "est déjà en mesure de produire des quantités de plusieurs tonnes de MOF, expliquait Omar Yaghi en 2024 dans Le Temps.

"L'année dernière, l'entreprise a annoncé la production de centaines de tonnes de ces cristaux, pour le captage du CO2 dans les cimenteries", ajoutait-il.

Lui et son équipe ont installé un prototype dans le désert d'Arizona (Etats-Unis) qui capture les molécules d'eau dans l'air et les condensent, le tout grâce à l'énergie solaire. (AFP)