La chimie verrière traditionnelle au service des matériaux avancés

Depuis deux décennies, les MOFs (metal-organic frameworks) se sont imposés comme une nouvelle classe majeure de matériaux en raison de leurs propriétés attractives : combinant nœuds métalliques et ligands organiques dans une architecture cristalline hautement ordonnée, ces matériaux présentent en effet une forte porosité et une surface interne gigantesque. Ils présentent ainsi un intérêt particulier pour le stockage de gaz (hydrogène, méthane, CO₂), mais aussi pour les systèmes de filtration et de séparation (purification de l’eau, séparation industrielle de gaz, filtres chimiques) ou encore pour le domaine médical dans lequel ils sont utilisés par exemple pour le transport ciblé de médicaments.

MOF glasses : des propriétés intéressantes mais difficilement ajustables

Certains MOFs présentent également une propriété plus rare : ils peuvent être fondus puis vitrifiés, donnant naissance à des verres amorphes hybrides appelés MOF glasses. Ces matériaux, jusqu’à présent considérés comme purement exploratoires, offrent toutefois des propriétés d’intérêt industriel : une densité ajustable, une stabilité chimique, des comportements mécaniques atypiques, un potentiel de conduction ionique, une possibilité de mise en forme… Mais contrairement aux verres inorganiques classiques, les mécanismes permettant de moduler ces propriétés restaient jusqu’ici mal compris.

Une étude récemment publiée dans Nature Chemistry marque toutefois une étape importante dans ce domaine. Les auteurs démontrent en effet qu’il est possible de modifier de manière contrôlée les propriétés des MOF glasses grâce à l’introduction d’ions alcalins. Ces résultats ouvrent la voie à une ingénierie plus fine de ces matériaux innovants.

Les procédés de verrerie traditionnelle pour le développement de nouveaux matériaux

Les chercheurs se sont appuyés sur un concept bien connu en verrerie traditionnelle, qui est l’utilisation de « modificateurs de réseau ». L’ajout d’ions alcalins comme Na⁺ ou K⁺ dans les verres silicatés est en effet un procédé connu pour modifier la connectivité atomique et ajuster différents paramètres du verre, comme la rigidité, la viscosité, la conductivité ionique ou encore la température de transition vitreuse. Cette logique a été appliquée pour la première fois aux verres dérivés de zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs), une famille de MOFs formant un état amorphe vitreux après fusion et refroidissement. Dans ce cas, l’étude montre que l’introduction contrôlée d’ions alcalins Na⁺ et Li⁺ dans la matrice amorphe provoque une réorganisation locale du réseau métal-organique, une modification des interactions métal-ligand et une évolution mesurable des propriétés physiques du matériau.

« Habituellement, les MOF glasses ne se ramollissent qu’à des températures élevées, supérieures à 300°C, proches de leur température de dégradation, ce qui complique leur mise en œuvre et limite leur utilisation à plus grande échelle » explique Dominik Kubicki, chercheur à l’Université de Birmingham, dans un communiqué. « Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour les matériaux haute performance du futur ».

L’un des résultats majeurs concerne le comportement mécanique des verres étudiés. Les chercheurs montrent que l’introduction d’ions alcalins modifie la dynamique structurale du verre et permet d’ajuster la densité, la mobilité locale et la température de transition vitreuse, offrant des nouvelles capacités de réglage. Cette découverte est particulièrement importante pour les applications industrielles, car elle rapproche les MOFs glasses des matériaux verriers conventionnels dont les propriétés peuvent être ajustées en fonction du cahier des charges. De plus, les auteurs montrent également qu’après incorporation des ions alcalins, un traitement de lixiviation aqueuse permet d’extraire une partie des modificateurs de réseau. Cette opération génère une nanoporosité dans le verre hybride, selon un mécanisme rappelant celui utilisé historiquement pour produire les verres poreux de type Vycor. Cette approche pourrait ouvrir la voie à de nouvelles membranes hybrides poreuses ajustables.

Même si de nouvelles études seront nécessaires pour améliorer la stabilité de ces verres et mieux prédire leurs propriétés, cette étude pose un cadre préliminaire pour la conception de matériaux fonctionnels « programmables ». En rapprochant les MOF glasses de la chimie des verres conventionnels, ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle génération de matériaux hybrides ajustables pour les applications énergétiques, membranaires et fonctionnelles.