L'université technique de Graz élucide le mystère de la structure des films minces de MOF

En raison de leur forte porosité, les réseaux métallo-organiques (MOF) sont considérés comme des matériaux prometteurs pour des applications innovantes, ce qui explique pourquoi le prix Nobel de chimie leur a été décerné en 2025 pour leur découverte. Ils sont utilisés, par exemple, pour stocker des gaz, capturer le CO₂ et administrer des médicaments de manière ciblée. Alors que la structure des MOF sous forme de grands cristaux peut être déterminée relativement facilement, celle des films minces est restée en grande partie un mystère. Or, c’est précisément cette structure qui est déterminante pour leurs propriétés et leurs applications potentielles.

Une équipe dirigée par Roland Resel et Egbert Zojer de l’Institut de physique des solides de l’Université technique de Graz (TU Graz), en collaboration avec des collègues de l’Institut de chimie physique et théorique (dirigé par Paolo Falcaro) et de l’Institut de technologie de Karlsruhe (dirigé par Christof Wöll), a désormais résolu cette énigme. Ils ont publié leurs résultats dans un article paru dans la prestigieuse revue *Advanced Functional Materials*. En prenant comme exemple le film mince de benzène dicarboxylate de cuivre (Cu(bdc)), largement étudié, les chercheurs ont démontré qu’aucun des modèles structurels proposés jusqu’à présent n’était correct. Ils ont au contraire identifié une structure qui explique toutes les propriétés observées et qui réserve une surprise : les films minces de Cu(bdc) ne sont pas du tout poreux, contrairement à ce que l’on attendrait normalement des MOF.

Les modèles structurels doivent être réévalués

« Nos résultats suggèrent que de nombreux modèles structurels publiés concernant les films minces de MOF pourraient être erronés et doivent être réévalués », explique Egbert Zojer. Cette avancée a été obtenue en combinant des simulations complexes de mécanique quantique avec une technique de mesure spécialisée, connue sous le nom de diffraction des rayons X à incidence rasante rotative (GIXD rotative), réalisée au synchrotron Elettra à Trieste. Contrairement aux mesures conventionnelles, qui mesurent la diffraction des rayons X dans une direction spécifique et ne fournissent donc qu’une quantité limitée de données, la méthode GIXD rotative offre une image quasi complète de la périodicité cristalline. En combinant ces mesures avec les simulations de mécanique quantique susmentionnées et une détermination de la densité du film mince par réflectométrie aux rayons X, l’équipe a pu écarter le grand nombre de structures précédemment proposées dans la littérature et, finalement, révéler la véritable identité du film grâce aux simulations.

Densément compacté plutôt que très poreux

Ces résultats contredisent les opinions qui prévalaient jusqu’à présent. La plupart des publications scientifiques décrivaient la structure comme très poreuse, bien que cela se soit déjà révélé difficile à concilier avec certaines observations faites par le passé. Il apparaît désormais clairement, cependant, qu’au lieu d’être très poreux, le film mince de Cu(bdc) est densément compacté et contient des groupes hydroxyde supplémentaires, qui faisaient défaut dans la plupart des modèles antérieurs. La structure découverte explique pourquoi ces films peuvent difficilement être chargés en molécules hôtes, pourquoi ils présentent une stabilité inhabituellement élevée vis-à-vis de l’eau, et pourquoi ils possèdent des propriétés magnétiques qui seraient incompatibles avec les structures précédemment hypothétiques.

Nouvelles applications potentielles

La structure non poreuse qui vient d’être identifiée explique non seulement la robustesse chimique du matériau, mais confirme également son état fondamental ferromagnétique. Cela oriente les applications potentielles de ces films vers des phénomènes physiques pouvant s’avérer pertinents dans la technologie des capteurs, la microélectronique ou les systèmes de stockage magnétique. De plus, la structure contient des couches d’oxyde de cuivre qui rappellent celles des supraconducteurs à haute température. Les applications potentielles qui en découlent constituent la base de recherches futures.

« Grâce à nos travaux, nous avons pu démontrer qu’une caractérisation structurelle fiable des films minces de MOF n’est possible qu’en combinant des méthodes modernes de diffraction et une modélisation théorique », explique Egbert Zojer. « La méthodologie de diffraction, mise au point principalement par le groupe de Roland Resel, associée au logiciel développé à l’Université technique de Graz pour l’analyse des données de synchrotron, constitue un outil essentiel à cette fin. Elle jette les bases qui permettront à l’avenir d’élucider la structure d’autres films minces de MOF et, par la suite, de les exploiter spécifiquement pour de nouvelles applications dans les domaines de la technologie des capteurs et de la microélectronique. »