La plupart des gens ne pensent pas à la façon dont les molécules s'intègrent dans les espaces ultra-petits entre d'autres molécules, mais c'est ce à quoi l'équipe de recherche du professeur Masahide Takahashi pense chaque jour à l'Université métropolitaine d'Osaka. Ils étudient les structures métallo-organiques (MOF), composées d'ions et de molécules métalliques disposés de manière modulaire (lieurs organiques), formant un échafaudage. Les ions métalliques agissent comme des coins reliés par des lieurs organiques plus longs. Un MOF peut être fabriqué à l'aide de différents métaux et lieurs organiques, de sorte qu'ils peuvent être conçus pour des propriétés chimiques/physiques spécifiques, attrayantes pour les capteurs de revêtement dans les dispositifs optiques et électroniques. En effet, l'échafaudage MOF laisse beaucoup d'espace interne ouvert. Ces pores peuvent héberger de nombreuses molécules invitées qui peuvent accéder à l'énorme surface interne des MOF, ce qui les rend idéaux pour le développement de matériaux catalytiques, le stockage de gaz, la séparation de gaz et l'assainissement de l'environnement.

En utilisant un spectromètre pour mesurer le MOF et l'absorbance de la molécule invitée de deux types de lumière infrarouge polarisés différemment, la méthode de l'équipe de recherche est la première à mesurer les interactions invité-invité et invité-hôte et à le faire en temps réel. La spectroscopie infrarouge est couramment utilisée dans les laboratoires et les ajouts nécessaires à la polarisation de la lumière utilisent un minimum de matériaux, y compris des composants imprimés en 3D facilement reproductibles. Cela représente une avancée considérable dans l'étude des MOF, la rendant beaucoup plus accessible par rapport à la diffraction des rayons X ou à la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire à l'état solide précédemment utilisées.

Une propriété unique des MOF est qu'ils peuvent modifier leur conductivité et leur photoluminescence en augmentant ou en diminuant le nombre de molécules invitées hébergées dans leurs pores. Lorsqu'elles sont étroitement emballées, les molécules invitées peuvent s'aligner, créant des différences dépendantes de la direction pour l'absorption de la lumière et la résistance électrique. Les chercheurs ont appelé ce phénomène l'effet "boîte de sardine" parce que les molécules dans les gaz ne sont pas toujours rondes, les molécules de gaz de formes différentes agissent souvent comme des "sardines" lorsqu'elles sont confinées dans une "boîte" de nanopores. Lorsque de longues molécules sont ajoutées, elles se heurtent jusqu'à ce qu'elles soient côte à côte, efficacement emballées et pointant dans la même direction, tout comme les sardines.

Si vous faisiez briller une lumière à travers le côté d'une boîte de sardine transparente, vous pourriez avoir une bonne idée de la direction dans laquelle les sardines étaient alignées en fonction de leurs ombres. Cependant, les films MOF et les molécules invitées sont trop petites pour projeter des ombres, les chercheurs ont donc utilisé une caractéristique différente de la lumière :la polarisation. Les chercheurs ont utilisé la lumière infrarouge dans deux polarisations et ont mesuré l'absorbance de la molécule invitée pour chaque polarisation séparément. Au fur et à mesure que la pression partielle du gaz dans le film MOF augmentait, les molécules invitées ont commencé à s'aligner, augmentant l'absorbance d'une polarisation.

Cela a permis aux chercheurs de trouver la pression partielle où les molécules hôtes s'alignaient et comment elles interagissaient à différentes pressions. Les liaisons moléculaires entre les différents atomes absorbent des longueurs d'onde spécifiques de la lumière infrarouge. En comparant les longueurs d'onde polarisées absorbées, les chercheurs ont pu déterminer la direction dans laquelle pointaient les molécules du film MOF. À des pressions plus élevées, lorsque les pores du MOF étaient pleins, ils ont également découvert des défauts qui ont commencé à apparaître dans l'échafaudage du MOF en raison de la présence des molécules invitées. Lorsque les molécules invitées ont été supprimées, les défauts se sont inversés, donnant la première observation claire des interactions entre les molécules invitées et hôtes dans le MOF.

Ces résultats, publiés dans Angewandte Chemie International Edition , ne sont qu'un début, car cette technique peut être utilisée pour étudier différents films MOF et interactions de molécules invitées en temps réel. Cette nouvelle frontière de la science des matériaux a le potentiel de résoudre de nombreux défis futurs des sciences humaines. "Ces résultats clarifient la manière dont les molécules pénètrent dans les nanopores et comment elles s'alignent. Sur la base de cette technique, nous pouvons nous attendre à développer des matériaux poreux de haute performance", a conclu le Dr Bettina Baumgartner. + Explorer plus loin

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