Des images prises à l'aide d'un microscope à force atomique ont permis aux chercheurs d'observer, pour la première fois, les changements flexibles et dynamiques qui se produisent à la surface des cristaux de « polymère de coordination poreux » lorsque des molécules invitées sont introduites. Les résultats, publié dans la revue Chimie de la nature , ont des implications pour les recherches sur les matériaux qui peuvent être utilisés pour stocker et détecter des molécules.

"Nous avons été surpris de constater que la surface poreuse du polymère de coordination est exceptionnellement flexible et fluctuant constamment en solution, " déclare Nobuhiko Hosono de l'Institut des sciences intégrées des cellules et des matériaux de l'Université de Kyoto (iCeMS), "contrairement à la perception commune que le cristal est dur et immobile."

Les polymères de coordination poreux sont des matériaux cristallins qui se forment par auto-assemblage d'ions métalliques et de molécules de liaison organiques appelées ligands. Ils sont actuellement étudiés par les scientifiques des matériaux en raison de leur capacité à changer de structure lorsque d'autres molécules leur sont introduites ou lorsqu'ils sont exposés à certains stimuli externes, sans perdre leur cristallinité. Cette propriété les rend attractifs pour développer des dispositifs capables d'adsorber sélectivement des molécules de gaz et ainsi de les filtrer ou de les stocker, comme le stockage de l'hydrogène pour l'énergie.

Bien que les chercheurs soient conscients que certaines structures cristallines changent lorsqu'elles sont exposées à certaines molécules, ils n'avaient pas encore pu observer ces changements en temps réel. Voir ce qui se passe réellement peut permettre d'approfondir les études sur le contrôle de ces matériaux.

Chercheurs iCeMS, dont Nobuhiko Hosono et Susumu Kitagawa, utilisé la microscopie à force atomique pour observer les changements qui se sont produits à la surface d'un polymère de coordination poreux monocristallin, constitué d'amas de zinc et de deux types de ligands, lorsque les molécules invitées de biphényle ont été introduites.

Le microscope à force atomique est constitué d'une minuscule sonde au bout d'un porte-à-faux. Les mouvements de la sonde sur la surface d'un matériau sont enregistrés, fournir une image de la topographie du matériau.

La surface du cristal de polymère de coordination a d'abord été examinée en solution dans des conditions stables. Les réseaux organo-métalliques à la surface étaient de forme tétragonale. Une solution de biphényle a ensuite été ajoutée au cristal avec une concentration progressivement croissante. Les images ont été prises toutes les 13 secondes. L'équipe a découvert que les réseaux avaient pris une forme rhombique en dix minutes, car la concentration de biphényle atteignait un maximum de 500 millimoles/litre de solution en raison de la combinaison de la molécule avec la surface cristalline. La diminution de la concentration entraîne l'élimination du biphényle de la surface du matériau et un retour rapide des formes tétragonales des réseaux.

D'autres études ont montré que les changements de surface affectaient à peine le reste de la structure du cristal.

La nature hautement réactive de la surface poreuse du polymère de coordination, capturé dans les moindres détails, fournit des informations qui peuvent aider à guider le développement de matériaux réactifs, les chercheurs écrivent dans leur article.