Le Prix Nobel de Chimie 2025 et l'ILL

Les MOFs (Réseaux Métallo-Organiques) sont des matériaux poreux constitués d'atomes métalliques reliés par des molécules organiques (à base de carbone) appelées ligands. Ensemble, les ions métalliques et les ligands forment des cristaux dotés de vastes cavités, dans lesquelles les molécules peuvent circuler librement.

Les MOFs sont l'incarnation de la manière dont les molécules peuvent être assemblées en structures – le comité Nobel a parlé d'« architecture moléculaire » – ce qui représente un champ d'exploration extrêmement riche pour les chimistes et les scientifiques des matériaux. Il est en effet possible d'y ajuster très finement les propriétés chimiques, physiques et les fonctions : environ 100 000 MOFs ont été répertoriés à ce jour, et on prédit qu'un demi-million existe.

En variant les blocs de construction utilisés, les chimistes peuvent concevoir les MOFs pour capturer et stocker des substances spécifiques. Des chercheurs les ont utilisés pour récolter de l'eau dans l'air du désert, extraire des polluants de l'eau, capturer le dioxyde de carbone (CO2) et stocker l'hydrogène (H2).

Les MOFs peuvent présenter des surfaces internes de plusieurs milliers de mètres carrés par gramme ! C'est une mesure de leur capacité à adsorber ou stocker de petites molécules, notamment l'H2 pour les applications énergétiques et le Co2 pour la séquestration. La taille des pores peut également être ajustée, ce qui les rend très utiles pour les applications de tamisage moléculaire.

La diffusion de neutrons est un outil inestimable pour étudier les matériaux et les processus se déroulant à différentes échelles de temps et de longueur. Les neutrons sont des sondes idéales pour les MOFs  car ils "voient" aussi bien les métaux que les molécules organiques. De nombreux scientifiques de l'ILL sont impliqués dans la recherche sur une variété de MOFs pour un large éventail d'applications.

Les techniques neutroniques comme la diffraction et la diffusion quasi-élastique et inélastique de neutrons permettent de déterminer les structures avec précision, incluant les sites d'adsorption des molécules "invitées" (comme le H₂ et le C0₂), ainsi que la dynamique de l'ossature cristalline et des molécules piégées.

Il est pertinent de mentionner dans ce contexte le travail des scientifiques de l'ILL avec le désormais lauréat du prix Nobel, Susumu Kitagawa, et ses collègues, sur un MOF à transition de spin où l'état magnétique (spin) du centre de fer peut agir comme un interrupteur pour la dynamique de rotation d'une molécule en forme d'anneau (réf 7).

Les MOFs ont été, sont et continueront d'être un domaine d'activité important à l'ILL. Nous estimons que plusieurs centaines d'expériences ont été réalisées sur des MOFs à l'ILL, menant à environ cent publications, et il y a actuellement trois projets de thèse en cours à l'ILL dans ce domaine.