Après leur découverte il y a 25 ans, les cadres organométalliques (MOF) ont rapidement acquis l'aura d'un "matériau miracle" en raison de leurs propriétés particulières :leurs grandes surfaces internes et leurs tailles de pores réglables facilitent des applications améliorées, par exemple, dans la séparation des matériaux et la séparation des gaz. stockage.

Alors que les représentants précédents étaient principalement basés sur des métaux de transition comme le cuivre et le zinc, une équipe du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a exploré des parties plus exotiques du tableau périodique :ils ont étudié des composés analogues avec des actinides comme composant inorganique. De cette manière, ils contribuent, entre autres, à promouvoir l'élimination sûre des matières radioactives.

Les scientifiques de Rossendorf ont ainsi jeté les bases de structures pouvant héberger une série d'ions métalliques actinides comme composant principal, à savoir le thorium et l'uranium ainsi que les transuraniens neptunium et plutonium.

"La plupart de ces éléments de la dernière ligne du tableau périodique sont artificiels. Ils sont le produit d'un bombardement neutronique ou un sous-produit d'un réacteur nucléaire. En eux, l'homme a créé des substances extrêmement dangereuses car elles sont toutes radioactives et, dans certains cas, hautement toxiques », explique le Dr Moritz Schmidt de l'Institut d'écologie des ressources du HZDR.

"Cela signifie également que tous nos travaux expérimentaux doivent être menés avec des mesures de sécurité spéciales en place. Notre cheval de bataille est la chimie de coordination ou, en d'autres termes, la création de complexes métalliques avec des molécules à prédominance organique", explique le Dr Juliane März, développant le contexte. aux activités de l'équipe.

Au sein de la chimie de coordination, les charpentes organométalliques sont un domaine relativement jeune. Les solides hautement poreux sont composés de métaux ou d'amas métal-oxygène qui sont reliés de manière modulaire par des piliers de produits chimiques organiques, créant des réseaux de cavités flexibles rappelant les pores d'une éponge de cuisine.

Initialement, la recherche s'est concentrée sur les métaux de transition. "De bonnes perspectives pour de nouvelles applications nous ont rapidement amenés à nous intéresser aux éléments à coquilles électroniques complexes, tout d'abord les métaux des terres rares et enfin les actinides également. Mais, à ce jour, on ne sait presque rien sur les éléments transuraniens qui ne se produisent pas naturellement. , comme le neptunium et le plutonium », explique März, en esquissant la chronologie.

Échafaudages à haute symétrie à partir de blocs de construction moléculaires :applications personnalisées

En tant que pilier organique, ils ont utilisé de l'anthracène modifié chimiquement, un exemple frappant d'hydrocarbures aromatiques polycycliques. "Nous savons que l'anthracène cristallin est le meilleur scintillateur organique :lorsque le rayonnement riche en énergie traverse cette substance, il excite ses molécules par des processus de collision. L'énergie d'excitation est émise sous forme de lumière bleue. C'est pourquoi nos cadres sont également lumineux." rapporte Schmidt. Et ils présentent une autre propriété particulière :la largeur de leur bande interdite, qui est une mesure de la différence énergétique entre la bande de valence et la bande de conduction.

"In the case of semiconductors at very low temperatures only the valence band has charge carriers; in this state it is non-conducting. When energy is applied, they move to the conduction band and thus trigger a flow of current. Measurements show that our new material is one of the so-called broadband semiconductors which play a role especially in power electronics and sensor technology. So, it might be usable as a detector for ionizing radiation—and the actinides we have built in deliver a constant internal radiation reference at the same time," Schmidt says.

Early investigations into MOFs by research groups worldwide synthesized representatives that exhibited ever larger inner surfaces and have therefore become alternatives to activated carbon and zeolites, for example in materials separation or catalytic processes. Their advantage is that their modular structure means that diverse network topologies can be implemented; moreover, the pore size can be very finely tuned by selecting an appropriate pillar for the intended application such as efficient adsorbents for a very specific chemical.

März and Schmidt have taken this a step further, adding a new facet with their work. They have identified applications in a field in which HZDR's Institute of Resource Ecology conducts research:the safe disposal of radioactive material. The researchers are thus considering the development of a tailored waste matrix that immobilizes actinides in the scaffold and fission products in its pores.

The research is published in Journal of the American Chemical Society and based on earlier work published in Coordination Chemistry Reviews . + Explorer plus loin

Going beyond Mother Nature's molecules to target radioactive metals