Des matériaux organiques poreux pour la sorption de gaz

Les matériaux nano-structurés dotés d'une porosité bien définie font l'objet d'intenses activités de recherche et de développement, en vue de la détection, de la séparation et du stockage des gaz. Parmi ces matériaux en cours de mise au point pour des secteurs comme l'environnement, l'énergie et la médecine, citons les zéolites, les argiles, les structures organométalliques et les oxydes mésoporeux de métaux.

Les solides moléculaires poreux pourraient être une autre solution. Ces composés organiques sont personnalisables au niveau de la taille des pores et des groupes fonctionnels qui en tapissent l'intérieur, ils peuvent donc atteindre une très grande sélectivité. En outre, les changements dynamiques de la structure moléculaire pourraient servir de commutateurs ou d'actionneurs macromoléculaires. Le projet POMOS («Synthesis and characterization of porous molecular solids»), financé par l'UE, s'intéresse aux calixarènes et aux cyclopeptides comme blocs de base de dispositifs fonctionnant à partir des interactions gaz-solide au niveau atomique.

Les calixarènes et les cyclopeptides sont des composés organiques formant de gros cycles qui réservent des cavités capables de maintenir des ions ou des molécules de petite taille. Les calixarènes ont déjà été utilisées pour fabriquer des matériaux nano-structurés, alors que les cyclopeptides sont relativement inexplorés.

Dans le cadre de premières expériences, les chercheurs ont déjà synthétisé et caractérisé de nouveaux calixarènes et cyclopeptides. Ils ont caractérisé les calixarènes par diffraction X sur monocristal et poudre ainsi que par analyse thermique, et présenté les résultats lors de la rencontre European Crystallographic Meeting de 2013 et via deux publications.

Les scientifiques ont testé l'adsorption de gaz par les composés à base de calixarènes, dans une cellule à gaz sur mesure et hors conditions ambiantes. Ils ont ainsi pu caractériser les interactions entre l'hôte et la molécule contenue, avec une résolution au niveau des atomes, et mieux comprendre les mécanismes de l'adsorption.

Des données obtenues avec la cellule à gaz dans de grandes installations de rayonnement synchrotron et de diffraction de neutrons complètent les autres méthodes de caractérisation. Ces installations permettent en effet de conduire une diffraction X sur de très petits monocristaux (10 microns) ainsi qu'une diffraction X en haute résolution lorsque l'on ne peut obtenir que des poudres cristallines.

L'application des stratégies efficaces pour caractériser la sorption de gaz, ainsi que la fabrication de nouveaux matériaux poreux moléculaires, seront essentielles pour mettre au point de nouveaux dispositifs afin de détecter, séparer et stocker des gaz. Ces dispositifs sont d'un très grand intérêt commercial, aussi le projet contribuera-t-il à renforcer la position de l'UE sur un important marché mondial.