Les matériaux contenant plusieurs éléments métalliques sont importants pour diverses applications car la combinaison de différents cations métalliques offre des propriétés nouvelles ou améliorées, qui ne peut être obtenu par l'utilisation d'un seul métal. Une étude récente impliquant des expériences de diffraction des neutrons a permis le développement d'une nouvelle stratégie générale pour produire des matériaux complexes avec des arrangements de cations métalliques qui peuvent être virtuellement contrôlés à la demande pour les applications souhaitées; un résultat qui sera d'une grande importance dans divers domaines.

La préparation de matériaux complexes avec des structures composées de multiples cations métalliques occupant des sites spécifiques est une tâche difficile, car il s'agit d'aborder simultanément l'incorporation de différents éléments à des positions exactes. Cependant, ces matériaux multimétalliques sont importants dans divers domaines différents, car la combinaison de cations métalliques fournit des propriétés nouvelles ou améliorées; quelque chose qui ne peut pas être réalisé par l'utilisation d'un seul métal.

Une application fréquente d'oxydes et de sels métalliques mixtes est utilisée comme matériaux d'anode dans les batteries, due à la supraconductivité démontrée par plusieurs familles multimétalliques dont les structures sont composées de plusieurs cations combinés. D'autres applications incluent les oxydes métalliques dopés utilisés dans les dispositifs optiques et les oxydes métalliques mixtes étant des catalyseurs dans la transformation chimique clé. Cependant, l'utilisation de matériaux multimétalliques pour ces applications n'est pas facile; la synthèse de nouveaux matériaux avec des structures où la disposition des éléments métalliques est hautement contrôlable reste toujours un défi. En réalité, le contrôle de la disposition des éléments dans la plupart des matériaux multimétalliques existants a été limité voire inexistant à ce jour. De plus, il existe des limitations concernant la quantité et la nature des éléments qui peuvent être combinés au sein d'une même structure.

Une classe de matériaux cristallins, charpentes organométalliques (MOF), sont composés d'une combinaison de grappes métalliques appelées unités de construction secondaires (SBU) et de lieurs organiques. Alors que les MOF sont traditionnellement construits avec un seul cation métallique, ils ont récemment démontré la capacité d'incorporer plusieurs éléments métalliques dans une structure cristalline unique. Cependant, il y a eu un manque de contrôle fondamental sur la disposition des éléments métalliques utilisés dans la plupart des systèmes signalés à ce jour.

Une étude récente menée par une collaboration internationale d'instituts de recherche (Institut Laue-Langevin (ILL), Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid et Instituto de Ciencia de Materiales de Aragon (tous deux instituts du Conseil national espagnol de la recherche), IMDEA Energy Institute (ICMA) et l'Université Complutense de Madrid) a rapporté comment il est possible d'utiliser un MOF construit avec un SBU inorganique en forme de tige pour combiner plusieurs éléments métalliques à des positions précises. Il en résulte des matériaux avec un arrangement de cations métalliques qui peuvent être contrôlés aux échelles atomiques et mésoscopiques.

Une étude de diffraction des neutrons sur poudre menée à l'ILL a permis de découvrir divers arrangements atomiques possibles des cations métalliques au sein des SBU. Les résultats de ce travail fournissent une nouvelle stratégie générale pour produire des matériaux multimétalliques complexes avec des arrangements de cations métalliques qui peuvent être virtuellement contrôlés à la demande pour diverses applications souhaitées. Étant donné que les propriétés des matériaux sont dictées par leur composition et leurs structures atomiques et mésoscopiques précises, ces résultats seront d'une grande pertinence et importance dans divers domaines.

Dr Inès Puente Orench, Le scientifique de l'ILL et co-auteur de cette étude déclare :« Les neutrons, et notamment le multidétecteur haute résolution D2B et le diffractomètre à poudre haute intensité D1B à l'ILL, faisaient partie intégrante de cette étude car ils nous ont permis d'observer les emplacements précis des éléments métalliques dans la structure cristallographique. Ces observations n'auraient pu être faites par aucune autre technique, car ils n'auraient pas permis de distinguer les différents éléments métalliques. Compte tenu du grand nombre de MOF existants composés de plusieurs SBU, cette méthode sera généralisée pour préparer de nouveaux matériaux avec des compositions adaptées à certaines applications où plusieurs cations métalliques peuvent être disposés à des positions atomiques souhaitées et précises."