Construire des échafaudages à l'aide d'éléments exotiques : Une équipe de recherche réussit à créer de nouvelles structures métallo-organiques
Découverts il y a 25 ans, les cadres organométalliques (MOF) ont rapidement acquis l'aura d'un "matériau miracle" en raison de leurs propriétés particulières : leurs grandes surfaces internes et la taille modulable de leurs pores facilitent l'amélioration des applications, par exemple dans la séparation des matériaux et le stockage du gaz. Alors que les précédents représentants étaient principalement basés sur des métaux de transition comme le cuivre et le zinc, une équipe du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a exploré des parties plus exotiques du tableau périodique : elle a étudié des composés analogues avec des actinides comme composant inorganique. De cette manière, ils contribuent, entre autres, à promouvoir l'élimination sûre des matériaux radioactifs.
Le Dr Juliane März dans la boîte à gants. Ici, elle prépare un échantillon sensible à l'humidité et à l'oxygène pour l'analyse.
Amac Garbe/HZDR
Les scientifiques de Rossendorf ont ainsi jeté les bases d'une plate-forme pour des structures pouvant héberger une série d'ions métalliques d'actinides comme composant principal, à savoir le thorium et l'uranium ainsi que les transuraniens neptunium et plutonium. "La plupart de ces éléments de la dernière ligne du tableau périodique sont artificiels. Ils sont le produit du bombardement neutronique ou un sous-produit dans un réacteur nucléaire. En eux, l'homme a créé des substances extrêmement dangereuses car ils sont tous radioactifs et, dans certains cas, hautement toxiques", explique le Dr Moritz Schmidt de l'Institut d'écologie des ressources du HZDR. "Cela signifie également que tous nos travaux expérimentaux doivent être menés avec des mesures de sécurité particulières. Notre cheval de bataille est la chimie de coordination ou, en d'autres termes, la création de complexes métalliques avec des molécules essentiellement organiques", explique le Dr Juliane März, en présentant le contexte des activités de l'équipe.
Dans le cadre de la chimie de coordination, les cadres métallo-organiques sont un domaine relativement jeune. Ces solides très poreux sont composés de métaux ou de clusters métal-oxygène qui sont reliés de manière modulaire par des piliers de produits chimiques organiques, créant ainsi des réseaux de cavités flexibles qui rappellent les pores d'une éponge de cuisine. Au départ, la recherche s'est concentrée sur les métaux de transition. "Les bonnes perspectives de nouvelles applications nous ont rapidement amenés à nous intéresser aux éléments dotés d'une enveloppe électronique complexe - tout d'abord, les métaux des terres rares et enfin les actinides également. Mais on ne sait encore presque rien des éléments transuraniens qui n'existent pas à l'état naturel, comme le neptunium et le plutonium", explique M. März en esquissant la chronologie.
Des échafaudages hautement symétriques à partir de blocs de construction moléculaires - des applications personnalisées
Comme pilier organique, ils ont utilisé de l'anthracène modifié chimiquement, un exemple éminent d'hydrocarbures aromatiques polycycliques. "Nous savons que l'anthracène cristallin est le meilleur scintillateur organique : Lorsque des rayonnements riches en énergie traversent cette substance, ils excitent ses molécules par des processus de collision. L'énergie d'excitation est émise sous forme de lumière bleue. C'est pourquoi nos armatures sont également lumineuses", rapporte M. Schmidt. Et ils présentent une autre propriété particulière : la largeur de leur bande interdite, qui est une mesure de la différence énergétique entre la bande de valence et la bande de conduction. "Dans le cas des semi-conducteurs, à très basse température, seule la bande de valence comporte des porteurs de charge ; dans cet état, elle est non conductrice. Lorsqu'on leur applique de l'énergie, ils se déplacent vers la bande de conduction et déclenchent ainsi un flux de courant. Les mesures montrent que notre nouveau matériau fait partie des semi-conducteurs dits à large bande, qui jouent un rôle notamment dans l'électronique de puissance et la technologie des capteurs. Il pourrait donc être utilisable comme détecteur de rayonnements ionisants - et les actinides que nous y avons intégrés fournissent en même temps une référence de rayonnement interne constante", se réjouit M. Schmidt.
Les premières recherches sur les MOF menées par des groupes de recherche du monde entier ont permis de synthétiser des représentants présentant des surfaces internes de plus en plus grandes. Ils sont donc devenus des alternatives au charbon actif et aux zéolithes, par exemple dans la séparation des matériaux ou les processus catalytiques. Leur avantage est que leur structure modulaire permet de mettre en œuvre diverses topologies de réseau ; en outre, la taille des pores peut être réglée très finement en sélectionnant un pilier approprié pour l'application visée, par exemple des adsorbants efficaces pour un produit chimique très spécifique.
März et Schmidt sont allés plus loin en ajoutant une nouvelle facette à leurs travaux. Ils ont identifié des applications dans un domaine dans lequel l'Institut d'écologie des ressources du HZDR mène des recherches : l'élimination sûre des matières radioactives. Les chercheurs envisagent donc de développer une matrice de déchets sur mesure qui immobilise les actinides dans l'échafaudage et les produits de fission dans ses pores.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
K. Lv, C. Urbank, M. Patzschke, J. März, P. Kaden, S. Weiss, M. Schmidt: MOFs with 12-Coordinate 5f-Block Metal Centers, in Journal of the American Chemical Society, 2022.
K. Lv, S. Fichter, M. Gu, J. März, M. Schmidt: An Updated Status and Trends in Actinide Metal-Organic Frameworks (An-MOFs): From Synthesis to Application, in Coordination Chemistry Reviews, 2021.
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