Connus pour leur porosité exceptionnelle qui permet le piégeage ou le transport de molécules, les charpentes organométalliques (MOF) se présentent sous la forme d'une poudre, ce qui les rend difficiles à formater. Pour la première fois, une équipe internationale dirigée par des scientifiques de l'Institut de recherche de Chimie Paris (CNRS/Chimie ParisTech) a mis en évidence la capacité surprenante d'un type de MOF à conserver ses propriétés poreuses à l'état liquide puis vitreux. Publié aujourd'hui dans Matériaux naturels , ces découvertes ouvrent la voie à de nouvelles applications industrielles.

Les charpentes organométalliques (MOF) constituent une classe de matériaux particulièrement prometteuse. Leur porosité exceptionnelle permet de stocker et de séparer de grandes quantités de gaz, ou pour agir comme catalyseur de réactions chimiques. Cependant, leur structure cristalline implique qu'ils sont produits sous forme de poudre, qui est difficile à stocker et à utiliser pour des applications industrielles. Pour la première fois, une équipe de scientifiques du CNRS, Chimie ParisTech, L'université de Cambridge, Air Liquide et les synchrotrons ISIS (UK) et Argonne (US) ont montré que les propriétés d'un MOF zéolithique étaient conservées de manière inattendue en phase liquide (ce qui ne favorise généralement pas la porosité). Puis, après refroidissement et solidification, le verre obtenu adopte un aspect désordonné, structure non cristalline qui conserve également les mêmes propriétés en termes de porosité. Ces résultats permettront la mise en forme et l'utilisation de ces matériaux beaucoup plus efficacement que sous forme de poudre.

Pour y parvenir, les scientifiques ont utilisé la diffraction des neutrons et les rayons X pour observer la structure du MOF après fusion, une fois qu'il était en phase liquide. Ils ont corrélé ces données avec des simulations moléculaires qui reproduisaient les mêmes conditions de température que celles appliquées au MOF lors de la fusion. La combinaison des deux méthodes leur a permis de décrire les changements structurels affectant le matériau lors de son entrée en phase liquide puis de sa resolidification. Ils ont ainsi réussi à mettre en évidence un mécanisme atypique. Le MOF étudié était constitué de charpentes moléculaires pyramidales, constitué chacun d'un atome de zinc entouré de quatre cycliques, molécules organiques appelées imidazolates. A la fonte, l'énergie générée par la montée en température a pu rompre le lien entre un imidazolate et le zinc, détruisant ainsi la charpente pyramidale. L'espace résultant a ensuite été occupé par un autre cycle d'imidazolate libéré par une charpente voisine pour recréer la structure d'origine. Ce sont ces échanges moléculaires entre structures complexes qui ont donné au MOF son caractère liquide.

Dans le cas de ce MOF particulier, la porosité résultait de la présence d'interstices entre les structures pyramidales qui pouvaient être comblés par des gaz. Parce que le MOF a conservé la même structure pyramidale à l'état liquide, sa porosité était ainsi maintenue. Ainsi que la capacité de ce MOF à conserver ses propriétés après fusion, cette étude décrit le cas d'un liquide poreux, très peu d'entre eux figurent dans la littérature.