Blé, le mil et le maïs ont tous besoin d'azote pour pousser. Les engrais contiennent donc de grandes quantités de composés azotés, qui sont généralement synthétisés en convertissant l'azote en ammoniac dans le procédé industriel Haber-Bosch, du nom de ses inventeurs. Cette technologie est créditée de nourrir jusqu'à la moitié de la population mondiale actuelle.

L'air se compose de près de 80 pour cent d'azote (N2) qui est, cependant, extrêmement peu réactif, car la liaison entre les deux atomes d'azote est très stable. Le procédé Haber-Bosch rompt ce lien, convertir l'azote en ammoniac (NH3) qui peut être absorbé et utilisé par les plantes. Cette étape nécessite des pressions et des températures très élevées et est si énergivore qu'on estime qu'elle consomme 1 % de l'énergie primaire générée dans le monde.

"Nous recherchions donc un moyen de séparer l'azote qui soit plus énergétiquement favorable, " explique le professeur Holger Braunschweig de l'Institut de chimie inorganique de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) en Bavière, Allemagne. Certaines bactéries montrent que cela fonctionne réellement :elles sont capables de le faire à pression et température normales en utilisant l'enzyme nitrogénase qui catalyse la réaction à l'aide des métaux de transition fer et molybdène.

"Nous n'avons pas réussi à reproduire une sorte de nitrogénase jusqu'à présent, ", explique Braunschweig. "Nous avons donc commencé à chercher une alternative :une molécule capable de catalyser la réaction et qui ne soit pas basée sur des métaux de transition."

Son équipe a étudié des composés spécifiques contenant du bore, les borylènes, pendant des années. Ils sont considérés comme des candidats potentiels pour un tel catalyseur. Mais comment exactement la molécule de borylène correspondante devrait-elle être structurée à cette fin ?

Le fer et le molybdène dans la nitrogénase sont connus pour céder des électrons à la molécule d'azote, un processus appelé réduction. Cela provoque la rupture de la liaison entre les deux atomes N. Cependant, cela ne fonctionne que parce que les métaux de transition correspondent bien à la molécule d'azote :leurs orbitales, l'espace où sont passés les électrons lors de la réduction, chevauchent considérablement avec ceux de l'azote en raison de leur disposition spatiale.

Basé sur les prédictions de la mécanique quantique, Le Dr Marc-André Légaré de l'Institut de chimie inorganique a conçu un borylène avec un arrangement orbital similaire. Les résultats de ses investigations ont ensuite été testés synthétiquement à l'institut JMU.

Et avec succès ainsi, car le borylène produit de cette manière était capable de fixer l'azote - et cela à température ambiante et pression d'air normale. "Pour la première fois, nous avons pu démontrer que des composés non métalliques sont également capables d'accomplir cette étape, " souligne Légaré.

Cependant, cela ne veut pas dire que le processus Haber-Bosch est sur le point d'être aboli. Pour une chose, il n'est pas certain que l'azote réduit puisse se détacher du borylène sans le détruire. Cependant, cette étape est nécessaire pour recycler le catalyseur afin qu'il soit disponible pour se lier ultérieurement à la prochaine molécule d'azote.

« La question de savoir si cela aboutira finalement à une méthode plus favorable sur le plan énergétique reste une question ouverte, " dit le professeur Braunschweig. " Ce n'est que la toute première étape, bien qu'important, sur le chemin pour atteindre le but ultime."

Les résultats de l'étude, qui a été réalisée en collaboration avec le groupe de recherche du professeur Bernd Engels de l'Institut JMU de chimie physique et théorique, sera publié dans le célèbre Science magazine.