Des chercheurs ont percé le mystère : une astuce moléculaire ouvre la voie à une nouvelle génération de verre
Verres MOF dotés de nouvelles propriétés : une molécule organique modifie la structure des liaisons lors de la fusion
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Des chercheurs de l'université technique de Dortmund, de l'université de Paderborn, de l'université de Duisburg-Essen et de l'université d'Oxford ont mis au point une nouvelle méthode permettant de modifier de manière sélective la structure interne de certains types de verre. L'étude, publiée dans la revue « Nature Materials », montre comment l'ajout d'une molécule organique pendant la fusion provoque un réarrangement des liaisons chimiques au sein du matériau. Ce procédé permet de réduire la température de traitement nécessaire, d’empêcher la décomposition de la substance et d’ajuster avec précision les propriétés magnétiques et optiques. Ces verres spécialisés sont utilisés, entre autres, dans le stockage de gaz, les batteries, les applications optiques et la catalyse.
Des verres aux propriétés particulières
« Nous avons trouvé un moyen de modifier chimiquement la structure des verres dérivés de ce que l’on appelle les composés à structure métallo-organique – ou MOF en abrégé – dès le processus de fabrication », explique le professeur Sebastian Henke de l’université technique de Dortmund, qui a dirigé l’étude. Pour y parvenir, les experts ont utilisé de la 1,10-phénanthroline. Cette molécule abaisse le point de fusion tout en modifiant simultanément la manière dont les atomes métalliques du verre sont liés entre eux. Le principal avantage réside dans le fait que les chercheurs ont ainsi pu développer des verres dotés de propriétés magnétiques ou luminescentes, ce qui était auparavant impossible sans détruire le matériau par une chaleur extrême.
Un verre transformé de l’intérieur grâce à une modification chimique
« Normalement, le verre se forme lorsqu’un liquide en fusion se refroidit rapidement. La structure solide se met alors en place sans que les atomes ne s’organisent selon un motif régulier. Jusqu’à présent, les chercheurs devaient souvent accepter que la composition chimique de ces verres soit dictée par le matériau de départ », explique le professeur Henke. L’équipe a désormais démontré que cela n’est pas toujours une fatalité. En effet, les MOF sont constitués de centres métalliques maintenus ensemble par des composés organiques. Ces structures peuvent être fondamentalement modifiées à l’état liquide par l’ajout de phénanthroline. « Le point crucial est que la molécule ne se contente pas de servir de matériau de remplissage », poursuit le professeur Henke. « Elle entre en réaction. Nous modifions donc la composition chimique au moment précis où le matériau est encore à l’état liquide. »
La clé moléculaire
Les scientifiques ont mélangé la phénanthroline aux matières premières avant le chauffage. L’additif remplit deux fonctions à la fois : « En tant que fondant, la substance abaisse la température à laquelle le matériau fond ; en tant qu’agent chimique, la molécule se lie directement aux atomes métalliques et remplace partiellement les anciennes liaisons. À l’état fondu, la molécule interfère avec ce qu’on appelle l’environnement de coordination. Ce terme décrit le nombre de voisins qui entourent un atome donné. Comme la nouvelle molécule se lie plus fortement aux centres métalliques, le nombre de voisins augmente », explique le professeur Henke. Ce processus déclenche une restructuration complète du réseau vitreux. En ajustant le dosage de la molécule, les chercheurs peuvent contrôler l’ampleur de cette restructuration.
Une production à plus basse température, des résultats plus stables
Un effet secondaire pratique de ce procédé est la baisse de la température de fusion. Sans cela, bon nombre des matériaux étudiés se décomposeraient avant de pouvoir être transformés en verre. Une chaleur extrême détruirait leur structure et produirait des impuretés indésirables. « Grâce à cette astuce moléculaire, le matériau fond à des températures nettement plus basses et reste stable. Des études sur des verres contenant du cobalt ont montré que ce procédé plus doux empêche la formation de produits de décomposition nocifs », explique le professeur Matthias Bauer de l'université de Paderborn. Ceci est particulièrement important pour les propriétés fonctionnelles : c'est le seul moyen de détecter les effets magnétiques purs dans le verre, qui auraient autrement été masqués par des impuretés.
Les mesures confirment l’hypothèse
Des méthodes de mesure à haute résolution ont été utilisées pour prouver que la structure avait bel et bien changé. Les techniques conventionnelles aux rayons X atteignent ici leurs limites, car le verre ne présente plus de structure cristalline régulière. Le professeur Bauer explique : « Nous avons plutôt eu recours, entre autres, à la spectroscopie d’absorption des rayons X. Cette méthode nous a permis d’étudier l’environnement immédiat des atomes de cobalt. » Les données de mesure ont confirmé l’hypothèse : si les atomes conservent leur état chimique (état d’oxydation), leur environnement spatial change considérablement. Les liaisons avec les molécules voisines s’adaptent à la nouvelle molécule.
Du cristal au composant fonctionnel
L’étude montre que ce processus ne se limite pas à une seule classe de matériaux. Les chercheurs ont également testé avec succès leur méthode sur des structures dites de « squelettes » à base de carboxylates. Cela élargit considérablement les possibilités de fabrication de ces verres. Le professeur Henke résume l’importance de cette avancée pour l’avenir : « La masse fondue n’est plus un état intermédiaire rigide. Elle devient un espace de réaction dans lequel nous pouvons programmer la structure. » Ce contrôle ouvre des perspectives pour de futures applications. À l’avenir, les verres organométalliques pourraient être utilisés en catalyse, comme capteurs ou en optoélectronique. Comme les centres métalliques peuvent désormais être manipulés de manière spécifique, de nouvelles voies s’ouvrent pour le développement de composants permettant de contrôler avec précision la lumière, le magnétisme ou les réactions chimiques.
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