Les charpentes organométalliques (MOF) sont poreuses, des matériaux cristallins capables de piéger des composés au sein de leurs cavités moléculaires, leur donnant une large gamme d'applications dans le stockage et la séparation de gaz, captage du carbone, et dans la catalyse des réactions chimiques, pour n'en nommer que quelques-uns. Une nouvelle gamme d'applications est actuellement étudiée en convertissant les MOF cristallins en états liquide et/ou vitreux.

« Les MOF sont une classe de matériaux relativement nouvelle, et la plupart de ceux développés au cours des 20 dernières années sont à l'état cristallin, " dit Satoshi Horike, un scientifique des matériaux de l'Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) de l'Université de Kyoto. "Récemment, nous avons trouvé du verre non cristallin ou des états liquides dans les MOF et proposons qu'ils ont un grand potentiel en tant que matériaux futurs. »

Horike a passé en revue les dernières avancées et perspectives dans le domaine, avec le chimiste des matériaux Susumu Kitagawa et ses collègues pour le journal Angewandte Chemie Édition Internationale .

Des dizaines de milliers de MOF ont été synthétisés depuis leur découverte à la fin des années 1990. Les avancées technologiques permettent désormais aux chercheurs de découvrir ce qui se passe au niveau moléculaire lorsque certains MOF sont chauffés à un point de fusion puis refroidis pour produire un état semblable à du verre. Jusque là, les chercheurs ont signalé une dizaine de MOF pouvant être fondus en un liquide et/ou transformés en verre. Leurs températures de fusion vont de 184°C à 593°C, en fonction de leurs structures cristallines.

Lorsque ce type de MOF est chauffé, ses ions métalliques et ses ligands organiques commencent à vaciller dans les cristaux à mesure que le matériau fond. Les distances de liaison dans ses chaînes polymères s'allongent également à mesure que les températures continuent d'augmenter. La structure de l'état cristallin d'un MOF est très ordonnée. L'état de verre a un "ordre moyen, " où les connexions se rompent mais des parties de la structure étendue restent généralement en place. Une fragmentation moléculaire beaucoup plus importante se produit lorsqu'un MOF atteint l'état liquide, mais une partie de sa structure interne conserve un élément de connectivité.

Tous ces MOF ne peuvent pas être transformés en verre en refroidissant leur état liquide. Certains nécessitent un traitement de type meulage mécanique pour que le verre se forme. Au cours de ce processus, l'ajout de certains produits chimiques au matériau pourrait moduler certaines de ses propriétés physiques, comme l'amélioration de la conductivité des protons.

Les MOF liquides et en verre pourraient fournir un nouvel état de matériau qui démontre la porosité, conductivité ionique, et des propriétés optiques telles que la luminescence. Ils sont également prometteurs pour le stockage de la chaleur, dans les appareils énergétiques, et pour la perméation des gaz. Matériaux hybrides incorporant du verre ou des MOF liquides avec d'autres matériaux, tels que les polymères organiques, particules métalliques, ou des ions métalliques, pourraient être utilisés comme adhésifs puissants dans les dispositifs énergétiques ou dans les réactions catalytiques.

Les chercheurs suggèrent que les scientifiques revisitent l'immense bibliothèque disponible pour les MOF cristallins du point de vue du changement de phase en liquide et/ou en verre. Cela pourrait conduire à la conception de nouveaux matériaux fonctionnels.