Un nouveau matériau "cotte de mailles" composé de molécules imbriquées est résistant, flexible et facile à fabriquer.

Des chimistes de l'Université de Californie, à Berkeley, ont créé un nouveau type de matériau à partir de millions de molécules identiques et imbriquées les unes dans les autres. Pour la première fois, cela permet de synthétiser des structures étendues en 2D ou 3D qui sont flexibles, solides et résistantes, comme la cotte de mailles qui protégeait les chevaliers médiévaux.

Le matériau, appelé caténane infini, peut être synthétisé en une seule étape chimique.

Le chimiste français Jean-Pierre Sauvage a partagé le prix Nobel de chimie 2016 pour avoir synthétisé le premier caténane - deux anneaux liés. Ces structures ont servi de base à la fabrication de structures moléculaires capables de se déplacer, que l'on appelle souvent des machines moléculaires.

Mais la synthèse chimique des caténanes est restée laborieuse. L'ajout de chaque anneau supplémentaire à un caténane nécessite un autre cycle de synthèse chimique. Au cours des 24 années qui se sont écoulées depuis la création par Sauvage d'un caténane à deux anneaux, les chimistes n'ont obtenu, tout au plus, que 130 anneaux entrelacés, en quantités trop faibles pour être visibles sans microscope électronique.

Le nouveau type de caténane, produit dans le laboratoire d'Omar Yaghi, professeur de chimie à l'UC Berkeley, peut être fabriqué avec un nombre illimité d'unités liées en trois dimensions. Comme les unités individuelles s'emboîtent mécaniquement et ne sont pas reliées par des liaisons chimiques, les structures peuvent être fléchies sans se briser.

"Nous pensons que cela a des implications très importantes, non seulement en termes de fabrication de matériaux résistants qui ne se fracturent pas, mais aussi de matériaux destinés à la robotique, à l'aérospatiale, aux combinaisons blindées, etc.", a déclaré M. Yaghi, titulaire de la chaire de chimie James et Neeltje Tretter, codirecteur du Kavli Energy NanoSciences Institute et de la California Research Alliance by BASF, et scientifique en chef du Bakar Institute of Digital Materials for the Planet de l'UC Berkeley.

M. Yaghi et ses collègues, dont le premier auteur est Tianqiong Ma, un chercheur postdoctoral de l'UC Berkeley, ont présenté les détails du processus chimique cette semaine dans la revue Nature Synthesis.

Chimie réticulaire

Ce bond en avant dans la production de caténanes est possible grâce à un type de chimie que Yaghi a inventé il y a plus de 30 ans : la chimie réticulaire. Il la décrit comme "l'assemblage de blocs de construction moléculaires en structures cristallines étendues par des liaisons solides".

Grâce à cette technique, il a fabriqué des matériaux poreux peu coûteux - des cadres organométalliques (MOF) et des cadres organiques covalents (COF) - qui s'avèrent utiles pour capturer, stocker ou séparer des gaz tels que le dioxyde de carbone, l'hydrogène et la vapeur d'eau. Plus de 100 000 variétés de MOF ont été fabriquées à ce jour.

Pour fabriquer des MOF, il suffit de synthétiser les bonnes molécules hybrides - des clusters métalliques reliés à un ligand organique - et de les mélanger dans une solution afin qu'elles se lient pour former un réseau 3D rigide et très poreux. Les groupes chimiques à l'intérieur du cadre sont choisis pour lier et libérer - en fonction de la température - des molécules spécifiques et en rejeter d'autres.

L'un des MOF créés par M. Yaghi peut extraire l'eau de l'air, même le plus sec, puis la libérer lorsqu'il est chauffé, ce qui permet de capter l'eau dans les déserts.

Pour fabriquer des caténanes, Yaghi et Ma ont synthétisé une molécule présentant un croisement entre deux moitiés identiques, liées de manière covalente par un atome de cuivre. La structure, qu'ils appellent caténa-COF, rappelle celle de deux boomerangs reliés entre eux par un atome de cuivre à l'endroit où ils se croisent. Une fois mélangées, ces molécules se lient pour former un réseau 3D poreux de blocs de construction imbriqués. Les blocs de construction, un type de molécule polyédrique appelé adamantane, verrouillent essentiellement leurs six bras pour former une structure étendue.

"Ce qui est nouveau ici, c'est que les unités de construction ont ces croisements, et à cause de ces croisements, vous obtenez des systèmes imbriqués qui ont des propriétés intéressantes, flexibles et résilientes", a déclaré Yaghi. "Ils sont programmés pour s'assembler en une seule étape. C'est la puissance de la chimie réticulaire. Au lieu de les construire une unité à la fois pour obtenir une structure plus grande, vous les avez en fait programmés de telle sorte qu'ils s'assemblent et se développent d'eux-mêmes."

La molécule avec un croisement peut être modifiée chimiquement pour que le caténane final interagisse avec des composés spécifiques. Yaghi appelle ces matériaux (∞) caténanes, en utilisant le symbole de l'infini.

"Je pense que c'est un premier pas vers la fabrication de matériaux qui peuvent fléchir et potentiellement peuvent se raidir en réponse à des stimuli, comme un mouvement particulier", a-t-il déclaré. "Ainsi, dans certaines orientations, il pourrait être très flexible, et dans certaines autres orientations, il pourrait devenir rigide, simplement en raison de la façon dont la structure est construite."

Il a noté que si ces caténanes s'étendent dans trois directions à un niveau microscopique, ils peuvent être rendus suffisamment fins pour des utilisations bidimensionnelles, comme dans les vêtements. Récemment, certains scientifiques ont indiqué qu'ils avaient créé des MOF et des COF par impression 3D, il pourrait donc être possible d'imprimer également des caténanes en 3D, un peu comme on tisse un tissu.

"Traditionnellement, cet emboîtement a été réalisé par un processus ardu en plusieurs étapes pour ne fabriquer que des molécules qui ont un, deux ou trois anneaux imbriqués, ou polyèdres. Or, pour fabriquer des matériaux aux propriétés étonnantes, comme la résistance et la résilience, il faut réaliser des millions et des millions de ces emboîtements", a-t-il expliqué. "La manière traditionnelle de les fabriquer ne suffit pas. Et la chimie réticulaire intervient avec l'approche par blocs de construction et trouve un moyen de le faire en une seule étape. C'est vraiment la force de ce rapport."