Nobel de chimie : trois pionniers qui ont révolutionné la science moderne et leurs contributions inestimables

L’Académie royale des sciences de Suède a annoncé que Susumu Kitagawa, Richard Robson et Omar M. Yaghi sont les lauréats du Prix Nobel de Chimie pour leur développement des structures métal-organiques, également connues sous le nom de MOF. Le jury reconnaît une contribution qui a ouvert un nouveau chemin dans la conception de matériaux avec des propriétés ajustables.

Cette décision récompense une idée puissante : construire des réseaux cristallins avec d’énormes cavités internes permettant aux molécules d’entrer et de sortir à volonté. Grâce à cette architecture poreuse, les MOF servent à capturer le dioxyde de carbone, à extraire de l’eau de l’air dans des environnements arides, à stocker des gaz dangereux ou à favoriser des réactions chimiques avec une grande efficacité ; le montant attribué s’élève à 1,06 million d’euros, répartis entre les trois lauréats.

Qui sont les lauréats et quel est le prix ?

Kitagawa (Université de Kyoto), Robson (Université de Melbourne) et Yaghi (Université de Californie à Berkeley) sont reconnus pour avoir consolidé une nouvelle façon de penser la matière : assembler des ions métalliques et des ligands organiques pour créer des réseaux tridimensionnels avec des canaux et des pores sur mesure. L’Académie souligne que cette approche fournit aux chimistes des outils tangibles pour relever des défis mondiaux tels que la capture du CO2 ou la pénurie d’eau douce.

Le Comité Nobel indique que ces matériaux offrent des fonctions sur mesure, grâce à leur immense surface interne et à la possibilité d’ajuster leur chimie fine. Selon les responsables de l’évaluation, ils permettent d’imaginer des solutions pratiques qui, il y a quelques années, semblaient relever de la science-fiction.

Des voix académiques soulignent l’importance de ce domaine : des chercheurs qui ont collaboré avec les lauréats affirment que les MOF sont des matériaux polyvalents ayant un impact potentiel sur l’énergie, l’environnement et la santé, et que leur développement a transformé notre compréhension des solides poreux.

Les trois scientifiques, figures de proue à l’échelle internationale dans le domaine, ont également constitué une communauté de recherche très active à travers le monde, avec des centaines de laboratoires générant des dizaines de milliers de variantes structurelles pour des applications spécifiques.

Qu’est-ce que les MOF et pourquoi sont-ils importants ?

Les MOF (Metal-Organic Frameworks) sont des réseaux cristallins où des nœuds métalliques se connectent par des ligands organiques longs, formant un échafaudage tridimensionnel. Cet agencement génère des pores de différentes tailles et géométries où des gaz et d’autres molécules peuvent être stockés, permettant un contrôle précis de ce qui entre, de ce qui sort et de la manière dont les interactions se produisent.

La beauté du système réside dans sa modularité : en changeant le métal ou le ligand organique, les propriétés chimiques et physiques du réseau changent. Cette capacité de personnalisation permet, par exemple, de favoriser l’adsorption du CO2, de faciliter des réactions catalytiques ou de sélectionner des contaminants persistants dans l’eau.

Concrètement, le matériau se présente sous la forme de minuscules cristaux, ressemblant à des grains de sel, mais avec une enorme surface interne si l’on mesure par unité de masse. Cette large surface permet de stocker de grandes quantités de gaz ou d’héberger des catalyseurs de manière très efficace.

Une analogie courante consiste à voir ces matériaux comme un bâtiment avec des chambres pour molécules : selon le « plan » choisi (métaux et ligands), le bâtiment offre des pièces plus grandes, des couloirs plus étroits ou des murs actifs qui interagissent avec ce qui entre.

De l’échafaudage initial aux matériaux stables

Le point de départ remonte à 1989, lorsque Richard Robson a combiné des ions de cuivre avec une molécule à quatre bras, obtenant un cristal ordonné et spacieux, riche en cavités internes. Cette structure a démontré le potentiel de l’approche, mais s’est vite révélée fragile et s’effondrait facilement en dehors du solvant.

Entre 1992 et 2003, Susumu Kitagawa a démontré que les gaz pouvaient entrer et sortir des réseaux sans les détruire, anticipant la possibilité de les doter d’une flexibilité structurelle, une propriété clé pour réagir intelligemment aux changements de l’environnement.

Simultanément, Omar M. Yaghi a créé des MOF de grande stabilité et établi des principes de conception rationnels pour incorporer des fonctions souhaitées dans les pores. Son groupe a également montré des dispositifs capables de collecter de l’eau de l’air désertique en utilisant l’humidité nocturne et en la libérant avec la chaleur du matin.

Ces avancées ont fait passer le domaine de prototypes fragiles à des plateformes robustes et évolutives, ouvrant la voie à leur adoption industrielle et à des essais pilotes dans les domaines de l’énergie, de l’environnement et des technologies chimiques.

Applications et défis à venir

Les applications potentielles sont nombreuses : capture de CO2 des flux industriels ou directement de l’air, stockage d’hydrogène et d’autres gaz, séparation de composés persistants tels que les PFAS dans l’eau, ou dégradation de résidus pharmaceutiques dans l’eau.

Certains MOF retiennent le gaz éthylène pour ralentir la maturation des fruits, d’autres encapsulent des enzymes qui éliminent des traces d’antibiotiques, et certains agissent comme des barrières pour gérer les gaz toxiques dans les processus industriels. Tout cela repose sur la possibilité d’ajuster la géométrie et la chimie des pores.

Des experts des principaux centres de recherche européens soulignent que cette technologie a établi une nouvelle manière de concevoir des matériaux, alliant la stabilité de la chimie métallique à la polyvalence des composés organiques. Des entreprises et des laboratoires travaillent déjà à l’échelle et à l’intégration avec des dispositifs réels.

Des défis restent à résoudre, comme améliorer la durabilité dans des conditions exigeantes, réduire les coûts de production et optimiser la sélectivité et la régénération dans des cycles répétitifs ; cela dit, les preuves de concept et les premiers déploiements sont prometteurs.

Le prix décerné à Kitagawa, Robson et Yaghi matérialise une décennie de progrès ayant révolutionné le champ de la science des matériaux : une stratégie modulaire pour créer des solides poreux avec des fonctions sur mesure qui trouvent leur place dans des solutions contre le changement climatique, la gestion de l’eau et la chimie durable.