Les matériaux creux : la clé pour aider les scientifiques à remporter le prix Nobel de chimie 2025

(Dan Tri) - Le prix Nobel de chimie 2025 vient de récompenser trois scientifiques qui ont inventé les structures organométalliques, ouvrant une nouvelle ère pour la technologie de stockage, de séparation et de traitement de la matière au niveau moléculaire.

Dans l'après-midi du 8 octobre, l' Académie royale des sciences de Suède a annoncé que le prix Nobel de chimie 2025 était décerné à trois scientifiques, Susumu Kitagawa, Richard Robson et Omar M. Yaghi, pour leurs contributions pionnières au développement de structures organométalliques (MOF).

Portraits des trois scientifiques qui ont remporté le prix Nobel de chimie 2025.

Selon l'Assemblée Nobel, il s'agit d'un tournant pour la formation d'un langage entièrement nouveau en science des matériaux. Les métaux et les composés organiques sont étroitement liés pour former des réseaux poreux capables de stocker, de séparer et de transformer des molécules – une évolution considérée comme révolutionnaire dans les technologies énergétiques, environnementales et chimiques modernes.

La combinaison magique du métal et de l'organique

Les structures métallo-organiques sont des structures cristallines constituées d'ions métalliques ou d'agrégats métalliques liés à des lieurs organiques dans une structure ordonnée et répétitive, formant un réseau tridimensionnel.

L'espace entre les nœuds métalliques et les molécules de liaison présente de larges vides, ce qui rend ce matériau extrêmement poreux. Contrairement aux matériaux solides traditionnels, la surface des structures organométalliques peut atteindre des milliers de mètres carrés par gramme.

Structure creuse à l'intérieur d'une structure métallo-organique (Photo : MOF Technologies).

Dans une interview accordée au magazine Chemistry World en 2017, le professeur Omar Yaghi a déclaré que la porosité de certains MOF pouvait atteindre 10 000 m²/gramme (soit dix fois supérieure à celle d'autres matériaux poreux). Un gramme de MOF pouvait ainsi posséder une surface interne équivalente à environ deux terrains de football américain. C'est cette caractéristique qui confère aux MOF leur capacité à adsorber, stocker ou séparer les molécules de manière contrôlée, bien supérieure à celle d'autres matériaux poreux tels que la zéolite ou la silice.

Selon le comité Nobel, il s'agit de « matériaux présentant une porosité sans précédent dans la nature, tout en conservant la stabilité et la durabilité de leurs structures cristallines ». Grâce à la capacité d'allier la flexibilité des composés organiques à la durabilité des métaux, les structures organométalliques sont devenues l'une des inventions les plus importantes de la chimie du XXIe siècle.

De l'idée à la révolution scientifique

Le développement des structures organométalliques est une histoire qui s’étend sur plus de trois décennies, commençant avec les premières expériences de Richard Robson à l’Université de Melbourne (Australie) à la fin des années 1980.

Il a été le pionnier de la construction des premières structures organométalliques, réalisant que la liaison d'ions métalliques à des molécules organiques pouvait créer des structures cristallines unidimensionnelles, bidimensionnelles ou tridimensionnelles. Cependant, ces premiers matériaux étaient souvent instables et s'effondraient lorsqu'ils étaient exposés à des solvants ou à des températures élevées.

Les ions métalliques et les molécules organiques sont soigneusement combinés pour former une structure similaire à une structure tétraédrique métallique (Image : Académie royale des sciences de Suède).

Au milieu des années 1990, Susumu Kitagawa, alors à l'Université de Kyoto, avait démontré que le gaz pouvait pénétrer et se déplacer à l'intérieur des structures cristallines organométalliques qu'il avait créées. Il s'agissait d'une avancée majeure, démontrant pour la première fois que les matériaux solides pouvaient interagir dynamiquement avec leur environnement.

C'est également à cette époque qu'Omar M. Yaghi, un jeune chimiste américain, a mis au point une méthode de synthèse permettant d'obtenir des structures organométalliques stables et thermiquement stables, aux structures précisément définies. Il a posé les bases du concept de « chimie réticulaire », une approche permettant la liaison intentionnelle de molécules élémentaires pour former des réseaux cristallins aux propriétés prédéterminées.

La structure d'un matériau stable, MOF-5 - créé par Yaghi - présente des espaces cubiques (Image : Académie royale des sciences de Suède).

Grâce aux contributions de trois scientifiques, ce nouveau domaine de recherche est devenu une direction indépendante dans la chimie des matériaux modernes, avec des dizaines de milliers de structures métalliques-organiques synthétisées et appliquées dans de nombreux domaines de haute technologie.

Applications étendues de l'invention du siècle

La recherche démontre que, grâce à leurs propriétés « poreuses mais solides », les structures organométalliques peuvent assumer de nombreux rôles qui étaient auparavant impossibles pour les matériaux solides.

Le communiqué de presse du Comité Nobel indique que les structures organométalliques peuvent être utilisées pour adsorber et stocker le CO₂ dans leurs structures poreuses, contribuant ainsi à réduire les émissions de gaz à effet de serre. Certaines structures organométalliques peuvent capter la vapeur d'eau de l'air sec du désert, en utilisant uniquement l'humidité naturelle de l'air, convertissant ainsi l'énergie solaire en eau propre. Cette technologie est considérée comme particulièrement utile dans les régions où les ressources en eau sont limitées.

Grâce à leur grande surface spécifique et à leur sélectivité, les MOF sont également utilisés pour filtrer les composés organiques volatils, éliminer les métaux lourds ou les produits chimiques toxiques des eaux usées et séparer les gaz nobles comme l'hélium ou l'hydrogène. Les scientifiques explorent actuellement les structures organométalliques pour le stockage de l'énergie, en particulier l'hydrogène et le méthane, deux carburants propres potentiels.

Membres du laboratoire de recherche Yaghi (Photo : Université de Californie, Berkeley).

Il convient de noter que le professeur Omar Yaghi a également remporté le prix VinFuture en 2021, dans la catégorie « Innovateurs avec des réalisations exceptionnelles dans un domaine émergent » (scientifiques recherchant de nouveaux domaines).

La recherche sur les MOF est également considérée comme une direction de développement potentielle pour le Vietnam, car le pays promeut la transformation verte et développe des matériaux avancés pour les industries énergétiques, environnementales et biomédicales.

Grâce à des programmes comme VinFuture InnovaConnect, les scientifiques vietnamiens ont la possibilité d'entrer en contact direct avec la communauté de recherche internationale, élargissant ainsi la coopération dans des domaines émergents tels que les MOF, les batteries de nouvelle génération ou la capture du carbone.

Le professeur Omar Yaghi lors de la première cérémonie de remise du prix VinFuture.

Lors de l'annonce du prix Nobel 2025, le professeur Heiner Linke, président du comité Nobel de chimie, a déclaré :

« Les structures organométalliques présentent un potentiel énorme, ouvrant des possibilités sans précédent pour créer des matériaux techniques dotés de propriétés personnalisées pour de nouvelles applications. »

Ces matériaux promettent d’aider à résoudre les défis mondiaux tels que la pollution de l’air, le changement climatique, le manque d’eau potable et le stockage des énergies renouvelables – des problèmes auxquels l’humanité est confrontée au 21e siècle.

Message du prix Nobel de chimie 2025

Le prix Nobel de chimie 2025 honore non seulement trois scientifiques exceptionnels, mais envoie également un message profond, une nouvelle façon de penser la science des matériaux : le « vide » n'est plus seulement un vide dénué de sens, mais il est plein de potentiel.

D'un point de vue scientifique, l'invention des structures organométalliques marque une transition de la découverte de matériaux à la création de nouveaux matériaux. L'homme n'est plus totalement dépendant de la nature, mais peut concevoir de nouveaux matériaux dotés de structures et de fonctions spécifiques.

L'influence des structures organométalliques ne s'arrête pas aux applications actuelles, mais ouvre également la voie au développement d'une nouvelle génération de matériaux, tels que : les structures organiques covalentes (COF) et les structures imidazolates zéolitiques (ZIF) - avec des capacités similaires, voire supérieures, à l'avenir.

De nombreux autres types de structures MOF ont été synthétisés, chacun remplissant ses propres fonctions (Photo : Académie royale des sciences de Suède).

Depuis les petits laboratoires où les premiers cristaux ont été cultivés, jusqu’à la vision de systèmes matériels capables de filtrer les gaz toxiques, d’« extraire l’eau » de l’air et de stocker l’énergie, le parcours de développement de structures organométalliques illustre l’esprit de la science moderne : l’innovation, la collaboration interdisciplinaire et la volonté de créer une valeur durable.

Source: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/vat-lieu-rong-chia-khoa-giup-cac-nha-khoa-hoc-gianh-nobel-hoa-hoc-2025-20251009215157748.htm