Le prix Nobel de chimie 2025 : Que sont les MOF ?

L'Académie royale suédoise des sciences a décerné le prix Nobel de chimie 2025 à Susumu Kitagawa, Richard Robson et Omar M. Yaghi pour leurs recherches d'avant-garde sur les cadres métallo-organiques (MOF). Ces matériaux révolutionnaires, avec leurs surfaces internes énormes, leurs structures de pores réglables et leur conception unitaire, se sont révélés être une pierre angulaire de la chimie des matériaux, avec des utilisations révolutionnaires dans le stockage de l'énergie, la décontamination de l'environnement et l'ingénierie moléculaire.

Fig. 1 Prix Nobel de chimie 2025

Introduction aux MOF

Les MOF sont des cristaux solides tridimensionnels composés d'ions métalliques ou de clusters coordonnés avec des ligands organiques, ces derniers produisant des structures tridimensionnelles avec des architectures de pores hautement ajustables. Grâce à la synergie d'une surface élevée, d'une densité de lumière et d'une structure élastique, les chimistes peuvent concevoir des structures dont la taille des pores, la fonctionnalité chimique et les propriétés mécaniques sont prévisibles.

Certains MOF ont une surface interne de plus de 7 000 m²/g, soit un ordre de grandeur supérieur à celui du charbon actif, ce qui offre un potentiel inégalé pour le stockage et la séparation des molécules. La modularité des MOF permet également de les fonctionnaliser en fonction d'une application, allant de la séparation et du stockage des gaz à l'administration de médicaments et à la catalyse.

Histoire et développement des MOF

La construction des cadres métallo-organiques (MOF) a commencé avec Richard Robson en 1989, lorsqu'il a présenté pour la première fois la théorie d'un pont entre des ions cuivre et un lien organique à quatre bras pour produire un réseau cristallin avec des cavités définies avec précision. Cela a ouvert la voie à ce qui est devenu un domaine de recherche en plein essor.

Ensuite, Susumu Kitagawa a démontré la polyvalence des MOF grâce à la capacité des structures à se modifier par transformation structurelle, de sorte que les structures peuvent "respirer" en fonction des molécules invitées.

Omar Yaghi a ensuite étendu le domaine encore plus loin avec la synthèse du MOF-5, un matériau qui possède une surface étonnante de plus de 3 000 m²/g et de bonnes capacités d'absorption de gaz, démontrant l'utilité pratique du matériau dans des applications du monde réel.

L'ensemble de leurs contributions a permis d'établir les MOF comme une mystérieuse famille de solides cristallins poreux pouvant avoir des applications et présentant un intérêt intrinsèque.

Fig. 2 Représentation schématique des MOF les plus importants.

Méthodes de synthèse des MOF

La méthodesolvothermique reste la plus populaire pour la synthèse des MOF. Les sels métalliques et les ligands organiques sont mélangés dans des solvants organiques protiques ou aprotiques fonctionnalisés par formamide. La réaction est généralement effectuée sous une pression autogène supérieure au point d'ébullition du solvant dans un autoclave, où la croissance cristalline est permise et où l'on obtient des structures très ordonnées. Une croissance cristalline lente est généralement nécessaire pour obtenir de grands cristaux sans défaut avec une surface interne optimale.

Bien que la synthèse solvothermique soit conventionnelle et sûre, quelques autres méthodes sont apparues pour rendre les structures des produits ajustables et améliorer l'efficacité. Des techniques telles que la synthèse assistée par micro-ondes, la synthèse sonochimique, la synthèse mécanochimique, la synthèse électrochimique et la synthèse ionothermique sont de plus en plus utilisées.

Par exemple, la synthèse mécano-chimique utilise le broyage et l'énergie mécanique plutôt que des solvants, ce qui minimise l'impact sur l'environnement et permet de développer rapidement des structures. Il a également été démontré que la synthèse assistée par micro-ondes permettait de générer des MOF d'une cristallinité comparable en quelques minutes plutôt qu'en quelques heures. Tous ces développements sont importants pour la production à grande échelle de MOF et la détermination de nouvelles architectures.

Fig. 3 Synthèse solvothermique conventionnelle de structures MOF

Applications potentielles des MOF

Les propriétés uniques des MOF - faible densité, surface élevée, porosité réglable et flexibilité structurelle - offrent une énorme gamme d'applications potentielles :

• Stockage et distribution de gaz : Les MOF possèdent une valeur d'application unique dans le stockage de l'hydrogène, du méthane et du dioxyde de carbone. Par exemple, le MOF-5 adsorbe plus de 20 % en poids d'hydrogène à 77 K et 1 bar, et le MOF-177 adsorbe plus de 6 mmol/g de CO₂ à 298 K et 1 bar. Ces caractéristiques ont fait des MOF des matériaux de stockage d'énergie propres, tels que les piles à combustible à hydrogène et les voitures à méthane.
• Dépollution de l'environnement : Les MOF ont été utilisés pour éliminer les contaminants de l'eau et de l'air. Certains MOFs adsorbent les PFAS ("forever chemicals") de manière sélective dans les eaux usées, tandis que d'autres ont une affinité pour le dioxyde de carbone, ce qui permet de capturer le carbone. Par exemple, le Mg-MOF-74 a des capacités d'adsorption du CO₂ allant jusqu'à 8 mmol/g dans des conditions ambiantes, ce qui le rend viable pour une application dans le contrôle des émissions.
• Récupération de l'eau : Certains MOF sont capables de récupérer l'eau de l'air aride. Lors d'essais sur le terrain dans des environnements arides, le MOF-801 à base de zirconium a recueilli 2,8 litres d'eau par kilogramme de MOF et par jour dans des conditions de faible humidité (20-30 % d'humidité relative).
• Administration de médicaments : Les architectures poreuses des MOF permettent d'encapsuler des molécules thérapeutiques pour une libération contrôlée. Dans des études expérimentales, les matrices MIL-100(Fe) ont libéré des médicaments anticancéreux avec une stabilité améliorée et des caractéristiques de libération ciblées, réduisant ainsi la toxicité systémique.
• Stockage d'énergie et électronique : Les MOF sont étudiés pour des applications dans les supercondensateurs, les batteries et la catalyse. Les MOF peuvent être utilisés comme matériaux d'électrodes à haute capacité et conductivité ou comme supports de catalyseurs pour des nanoparticules de métal actives sur le plan catalytique.

Ces utilisations prouvent que les MOF ne sont plus une curiosité de laboratoire ; ils démontrent déjà des performances quantifiables dans le monde réel dans de nombreuses applications. La commercialisation à des échelles supérieures à celle du laboratoire reste un défi, mais la recherche s'efforce toujours d'améliorer la stabilité, la reproductibilité et l'économie.

Fig. 4 Applications dans les domaines de l'énergie, de l'administration de médicaments et du traitement des eaux usées

Conclusion

Le prix Nobel de chimie 2025 décerné à Kitagawa, Robson et Yaghi souligne tout particulièrement la dimension transformatrice des MOF. Des concepts structurels révolutionnaires aux méthodes de synthèse de haute technologie et aux applications futures inexploitées, les MOF sont un hommage à l'union de la chimie fondamentale et de l'utilité pratique. Pour plus d'informations sur l'industrie et l'assistance technique, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Références :

1. Dey, Chandan & Kundu, Tanay & Biswal, Bishnu & Mallick, Arijit & Banerjee, Rahul. (2013). Cadre cristallin métal-organique (MOF) : synthèse, structure et fonction. Acta Crystallographica Section B. 70. 3-10. 10.1107/S2052520613029557.
2. Ganesan, M. (n.d.). Are metal-organic frameworks (MOFs) at a commercial tipping point ? CAS Insights.
3. Raptopoulou, C. P. (2021). Metal-organic frameworks : Méthodes de synthèse et applications potentielles. Materials (Basel), 14(2), 310. (https://doi.org/10.3390/ma14020310)
4. Sanders, R. (2025, 8 octobre). Omar Yaghi, de l'UC Berkeley, partage le prix Nobel de chimie 2025. Berkeley News.
5. Académie royale des sciences de Suède. (2025). L'Académie royale des sciences de Suède a décidé de décerner le prix Nobel de chimie 2025. Communiqué de presse du prix Nobel.
6. Yusuf, V. F., Malek, N. I. et Kailasa, S. K. (2022). Revue de la classification des cadres métallo-organiques, des approches synthétiques et des facteurs d'influence : Applications dans les domaines de l'énergie, de l'administration de médicaments et du traitement des eaux usées. ACS Omega, 7(49), 44507-44531. (https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05310)