La structure du ZIF-4 sous forme liquide, Illustration: Ella Marushchenko (Ella Maru Studio)
Des scientifiques du monde entier travaillent à la synthèse de liquides… poreux. Vous avez bien lu : il ne s’agit pas d’un oxymore !
De par leur nature, les liquides n’aiment pas les « trous ». Il suffit d’en verser un dans un contenant pour le constater : le corps fluide se ramasse au fond, ne laissant aucun espace libre. La faute revient à ses molécules qui, parce qu’elles sont relativement mobiles les unes par rapport aux autres, s’agglutinent et empêchent la formation de vides. C’est ce qui explique pourquoi il est si difficile d’ajouter une quantité importante de gaz dans un liquide, à moins de le mettre sous pression, comme dans le cas des boissons gazeuses. Même là, la magie est éphémère. Pschitt.
Il serait pourtant bien pratique d’avoir des liquides capables d’absorber de grandes quantités de gaz, notamment des polluants ou du CO2, un peu comme des éponges. C’est ce à quoi travaillent de nombreuses équipes, avec des progrès fulgurants depuis quelques années. En août 2022, des chimistes de l’Université Harvard ont par exemple décrit une méthode permettant de transporter de l’oxygène dans une solution à des concentrations bien plus élevées que dans le sang. De quoi concevoir de nouvelles applications en médecine ou même améliorer le stockage de l’énergie !
Un jeu de Tetris
Cette prouesse est le fait d’une classe de matériaux prometteuse : les réseaux organométalliques, mieux connus sous leur acronyme anglais MOF. Semblables à de minuscules cages bourrées d’interstices, ces cristaux sont composés à la fois de molécules organiques et d’ions métalliques. « Les MOF sont naturellement dotés d’une grande porosité. Leur structure cristalline implique cependant qu’on les produit et les utilise plutôt sous forme solide [en poudre] », explique François-Xavier Coudert, directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique à l’Institut de recherche de chimie Paris.
Avec ses collègues, le chimiste a lui aussi identifié un type de MOF à base de zéolite capable de conserver ses propriétés poreuses en phase liquide. Leur étude publiée en 2017 dans la revue Nature Materials décrit les changements structurels subis par le ZIF-4 (c’est son nom) lors du passage d’une phase à l’autre, après fusion. « Le défi était de trouver un matériau qu’on peut chauffer à une température suffisamment haute [environ 592 °C] pour qu’il se liquéfie, mais inférieure au stade où il commence à brûler et à se dégrader », indique-t-il, qualifiant cette découverte de « coup de chance ».
« On peut voir la synthèse des liquides poreux comme un jeu de Tetris au cours duquel les pièces ne s’imbriquent jamais tout à fait parfaitement, malgré leur tendance naturelle à le faire, illustre-t-il. Notre but est d’identifier les briques dont la forme géométrique favorise la création prévisible de pores. »
Applications industrielles ?
Les récentes avancées s’inspirent toutes des travaux d’une équipe britannique à l’origine de la synthèse du premier liquide poreux, en 2015. Les résultats de sa preuve de concept, publiés dans Nature, révèlent que les cavités permanentes présentes dans ces liquides peuvent accueillir de petites molécules gazeuses comme du méthane, qui vient s’y dissoudre facilement.
De fait, les chimistes qui ont piloté l’expérience ont mis sur pied une compagnie pour commercialiser leur « invention » : Porous Liquid Technologies, qui propose de remplacer les technologies actuelles de capture et de séquestration de carbone, réputées peu efficaces, par des liquides poreux. « De véritables procédés industriels pourraient voir le jour dans les prochaines années, estime James Wuest, professeur au Département de chimie de l’Université de Montréal et spécialiste de la synthèse organométallique. Pour cela, il faudra toutefois faciliter la production de ces composés qu’on connaît encore mal. »
C’est pourquoi la recherche se poursuit. François-Xavier Coudert et son équipe viennent par exemple de démontrer que le désordre des MOF en phase liquide leur conférait de nouvelles propriétés qui n’étaient pas accessibles dans les phases solides. Comme quoi les liquides peuvent avoir de véritables atomes crochus avec les trous !
