Des chimistes de l'UCLA et de la Corée du Sud rapportent la « porosité ultime d'un nano-matériau, " atteindre des records mondiaux de porosité et de capacité de stockage de dioxyde de carbone dans une classe importante de matériaux appelés MOF, ou charpentes métallo-organiques.

MOF, parfois décrites comme des éponges de cristal, ont des pores - des ouvertures à l'échelle nanométrique qui peuvent stocker des gaz qui sont généralement difficiles à stocker et à transporter. La porosité est cruciale pour compacter de grandes quantités de gaz en petits volumes et est une propriété essentielle pour capturer le dioxyde de carbone.

La recherche pourrait conduire à une énergie plus propre et à la capacité de capturer les émissions de dioxyde de carbone piégeant la chaleur avant qu'elles n'atteignent l'atmosphère et ne contribuent au réchauffement climatique, l'élévation du niveau de la mer et l'augmentation de l'acidité des océans.

La recherche sera publiée le 23 juillet dans l'édition imprimée de la revue Science et est actuellement disponible dans l'édition en ligne avancée de la revue.

"Nous rapportons la porosité ultime d'un nano-matériau ; nous pensons qu'il s'agit de la limite supérieure ou très proche de la limite supérieure de porosité dans les matériaux, " a déclaré l'auteur principal de l'article, Omar Yaghi, professeur de chimie et de biochimie à l'UCLA et membre du California NanoSystems Institute (CNSI) de l'UCLA et de l'UCLA-Department of Energy Institute of Genomics and Proteomics.

"La porosité est une façon de faire beaucoup avec peu, " dit Yaghi, qui détient la chaire Irving et Jean Stone de l'UCLA en sciences physiques et dirige le Centre de chimie réticulaire du CNSI. "Au lieu d'avoir seulement la surface extérieure d'une particule, nous forons de petits trous pour augmenter considérablement la surface."

Avec l'auteur principal Hiroyasu (Hiro) Furukawa, co-auteur Jaheon Kim et ses collègues, Yaghi rapporte deux matériaux qui non seulement battent le record de porosité, mais le faire par une marge extrêmement grande. Les matériaux sont MOF-200, fabriqué à UCLA par Furukawa, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Yaghi, et MOF-210, réalisé à l'Université Soongsil de Séoul en Corée du Sud par Kim, professeur de chimie et ancien étudiant diplômé du laboratoire de Yaghi, et collègues.

"Nous n'avons pas seulement fait des progrès incrémentiels avec les MOF, " dit Yaghi, dont les recherches chevauchent la chimie, science et génie des matériaux. "Ce qui est spécial avec les MOF-200 et MOF-210, c'est qu'ils approchent de la limite de ce que vous pouvez obtenir dans un matériau. Nous pourrons peut-être concevoir de meilleures structures, mais ils ne seront pas faciles à faire."

Inventé par Yaghi au début des années 1990, Les MOF sont comme des échafaudages faits de tiges liées, avec des pores nanométriques de la bonne taille pour piéger le dioxyde de carbone. Les composants des MOF peuvent être modifiés presque à volonté, et le laboratoire de Yaghi a réalisé plusieurs centaines de MOF, avec une variété de propriétés et de structures.

Depuis 1999, Les MOF ont détenu le record de porosité la plus élevée de tous les matériaux. Les MOF peuvent être fabriqués à partir d'ingrédients à faible coût, comme l'oxyde de zinc, un ingrédient commun dans la crème solaire, et téréphtalate, qui se trouve dans les bouteilles de soda en plastique.

Yaghi a découvert la clé pour fabriquer des structures très poreuses, que lui et ses collègues ont rapporté dans le journal La nature en 2004 (MOF-177 a battu le précédent record de porosité, détenue depuis 1999 par le MOF-5) de Yaghi et en Science en 2005. Depuis, les chimistes se sont lancés dans une course pour créer des surfaces de plus en plus élevées pour les matériaux, avec la porosité la plus élevée.

Maintenant Yaghi, Furukawa et Kim ont fabriqué des MOF qui sont deux fois plus poreux que le MOF-177, trois fois la porosité du MOF-5 et 10 fois la porosité du matériau le plus poreux avant 1999. Cela signifie qu'ils peuvent désormais stocker deux fois plus de gaz qu'en 2004, une augmentation énorme.

"Si je prends un gramme de MOF-200 et que je le démêle, il couvrira de nombreux terrains de football, et c'est l'espace dont vous disposez pour les gaz à assembler, " dit Yaghi. " C'est comme par magie. Quarante tonnes de MOF équivalent à toute la superficie de la Californie.

"Ce n'est que le début des MOF, " il a dit, "parce que maintenant nous pouvons voir la plate-forme de matériaux sur laquelle nous pouvons construire. En science, atteindre la limite par l'expérimentation est magnifique, et maintenant nous pouvons tester les propriétés de ces matériaux pour diverses applications. Les exigences pour fabriquer un matériau viable pour la capture du dioxyde de carbone sont une capacité élevée et une sélectivité élevée. Nous avons déjà expliqué comment obtenir une sélectivité élevée pour le dioxyde de carbone ; maintenant, nous montrons comment obtenir une capacité élevée. Les applications industrielles sont en cours de déploiement ou, dans certains cas, sont en cours d'élaboration. De nombreuses entreprises travaillent au développement de MOF."

Par exemple, BASF, une entreprise chimique mondiale basée en Allemagne, fabrique de grandes quantités de MOF, qui sont vendus par Sigma-Aldrich, une entreprise de sciences de la vie et de haute technologie.

Yaghi, Furukawa et Kim rapportent également dans Science un record de capacité de stockage de dioxyde de carbone. MOF-200 et MOF-210 absorbent la plus grande quantité d'hydrogène, méthane et dioxyde de carbone, par poids, jamais atteint.

Le 12 février de cette année, Yaghi, Hexiang Deng, étudiant diplômé de l'UCLA, Furukawa et ses collègues de l'UCLA ont rapporté dans Science leur création d'un « gène » synthétique qui pourrait capturer les émissions de dioxyde de carbone.

Le dioxyde de carbone pollue l'atmosphère terrestre et endommage les récifs coralliens et la vie marine - des impacts irréversibles de notre vivant, dit Yaghi.

Avec la nouvelle recherche, il est maintenant possible de développer le gène synthétique avec MOF-200 et MOF-210, ce qui lui donne une surface beaucoup plus grande.

« Les MOF sont une classe de matériaux sans précédent, " Yaghi a déclaré. " Les MOF sont parmi la plus grande classe de matériaux jamais fabriqués, en nombre, variété et diversité de composition."

Furukawa, qui a travaillé dans le laboratoire de Yaghi pendant sept ans, a obtenu son doctorat. de l'Université de Tokyo.

"Hiro a découvert un moyen d'évacuer complètement le solvant qui, autrement, remplirait les trous, qui a permis d'accéder à la porosité, " dit Yaghi. " C'était la magie. "

Apprendre de « As the World Turns » et « Three's Company »

Lorsque Furukawa est venu aux États-Unis avec une bourse japonaise, il ne parlait presque pas anglais.

Yaghi, l'un des plus grands scientifiques du monde, se souvient sans gêne comment il a regardé "As the World Turns" et "Days of Our Lives" pour apprendre l'anglais lorsqu'il est arrivé à New York depuis la Jordanie à l'âge de 15 ans.

"Quand j'ai pris Hiro, " Yaghi a dit, "Je pensais, « Il n'a aucune idée du monde dans lequel il entre » — l'Amérique ou mon labo. Je lui ai dit, « Je ne vous parlerai pas tant que vous n'aurez pas acheté une petite télévision et regardé des feuilletons tous les jours ; Je veux que tu apprennes l'anglais. La façon dont j'ai appris l'anglais était de lire le journal avec un dictionnaire et de souligner les mots que je ne comprenais pas. Presque toutes les autres lignes avaient un mot souligné que j'ai recherché, mais on apprend très vite. J'ai regardé des feuilletons, trop. J'avais l'habitude de retourner dans ma chambre de l'école pour voir ce qui s'était passé. Les histoires n'avancent pas très vite; c'est presque comme faire de la recherche."

Furukawa a suivi les conseils de Yaghi et a regardé les rediffusions de "Three's Company".

"Je ne pouvais pas le comprendre au début, " il a dit, "mais plus tard, c'était facile à suivre."

Comment Yaghi décide-t-il quels étudiants accepter dans son laboratoire ?

"Il faut regarder dans leurs yeux et voir s'il y a de la passion et de l'énergie, " Yaghi a déclaré. "La capacité technique doit être associée à la capacité d'exploiter votre potentiel et d'élever votre esprit."

Furukawa travaille fréquemment jusqu'à 4 heures du matin, souvent sur son ordinateur à la maison.

"Quand je veux finir quelque chose, J'aime continuer à travailler, " il a dit.

"La meilleure chose que j'ai apprise du professeur Yaghi, " Furukawa dit, " n'est pas la chimie mais sa façon de penser. Quand j'ai rejoint son groupe, J'ai été très surpris car je n'ai jamais vu un professeur qui pense comme lui au Japon. Il ne publie que des résultats exceptionnels. C'est pourquoi il est le leader du domaine. Il nous motive à trouver des percées, nouveaux concepts et records du monde. L'expérience de travailler dans son laboratoire a définitivement amélioré mon esprit et mon processus de réflexion."