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Posté par Adrien le Mercredi 11/10/2017 à 00:00
Quand un solide poreux garde ses propriétés à l'état liquide
Connus pour leur porosité exceptionnelle permettant de piéger ou de transporter des molécules, les réseaux métallo-organiques (MOFs) se présentent sous forme de poudre, ce qui les rend difficiles à mettre en forme. Pour la première fois, une équipe internationale menée par des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) de Chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien,...) (CNRS/Chimie ParisTech (1)), associant notamment Air Liquide (Air liquide est un groupe industriel français d'envergure internationale, leader mondial des gaz industriels, c'est-à-dire des gaz pour l'industrie, la...), met en évidence la capacité surprenante d'un type de MOF à garder ses propriétés de porosité à l'état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), puis à l'état vitreux. Publiés le 9 octobre 2017 sur le site de la revue Nature Materials, ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles applications industrielles.


Structure cristalline du matériau ZIF-4 à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) ambiante
© F.-X. Coudert / CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...)

Les réseaux métallo-organiques (MOF) constituent une classe de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) particulièrement prometteuse. Leur porosité exceptionnelle permet de stocker et de séparer de grandes quantités de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper...), ou d'agir comme catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans l'équation-bilan de cette réaction.) de réactions chimiques. Mais leur structure cristalline implique qu'ils sont produits sous forme de poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au...), difficiles à stocker et à mettre en œuvre pour des applications industrielles. Pour la première fois, une équipe de chercheurs associant le CNRS, Chimie ParisTech, l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Cambridge, Air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...) Liquide et les synchrotrons ISIS (Royaume-Uni) et Argonne (États-Unis) a montré que les propriétés d'un type de MOF à base de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) étaient de manière inattendue conservées en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide (l'état liquide n'est pas celui qui favorise la porosité). Puis, après refroidissement et solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela peut se faire par refroidissement (cas le plus courant), par augmentation de la pression, ou bien par une combinaison des deux.), le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le...) obtenu adopte une structure désordonnée, non-cristalline, qui conserve également les mêmes propriétés en termes de porosité. Ces résultats permettent une mise en forme et une utilisation de ces matériaux bien plus efficaces que sous forme de poudre.


Structure désordonnée à haute température du matériau ZIF-4
© F.-X. Coudert / CNRS

Pour les obtenir, les chercheurs ont observé par diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion...) de neutrons et de rayons X la structure du MOF après fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques,...), une fois celui-ci en phase liquide. Ils ont corrélé ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) à des simulations moléculaires reproduisant les mêmes conditions de température que celles appliquées au MOF lors de sa fusion. La combinaison (Une combinaison peut être :) des deux méthodes leur a permis de décrire l'évolution de la structure du matériau lorsqu'il passe en phase liquide et lorsqu'il se re-solidifie. Ils ont ainsi réussi à mettre en évidence un mécanisme atypique. Le MOF étudié est composé d'édifices moléculaires en forme de pyramide (Une pyramide (du grec pyramis) à n côtés est un polyèdre formé en reliant une base polygonale de n côtés à un point, appelé l'apex,...), dont chacune consiste en un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite...) de zinc entouré de quatre molécules organiques cycliques, appelées imidazolate. Lors de la fusion, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) amenée par l'élévation de température permet de rompre une liaison entre un imidazolate et le zinc, brisant la structure pyramidale. La place vacante est alors occupée par un autre cycle imidazolate lâché par une pyramide voisine pour reformer la structure de base. Ce sont ces échanges moléculaires entre édifices complexes qui donnent au MOF son caractère liquide.

Dans le cas du MOF étudié, la porosité réside dans la présence d'interstices inoccupés entre les édifices pyramidaux, qui peuvent être remplis par des gaz. Comme le MOF conserve la même structure pyramidale à l'état liquide, sa porosité est maintenue dans cet état. Outre la capacité de ce MOF à garder ses propriétés après fusion, l'étude décrit ici un cas de liquide poreux, dont la littérature scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) ne rapporte que très peu d'exemples.

Notes:

(1)Chimie ParisTech et le CNRS figurent parmi les membres de Paris Sciences & Lettres.


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Source: CNRS