Matériau synthétique prisé découvert dans la nature

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Des minéraux de Sibérie ont la même structure que certaines matières synthétiques

Les réseaux métallo-organiques, ou metal-organic frameworks (MOF), figurent parmi les nouvelles matières solides poreuses les plus prisées. Ces matières synthétiques ont fait leur apparition dans les années 1990. Depuis, des chercheurs de partout dans le monde étudient leur utilisation comme éponges moléculaires pour divers usages, dont le stockage de l’hydrogène et le piégeage du carbone, ou encore les systèmes photovoltaïques.

Mais voilà que des scientifiques canadiens et russes ont découvert que les MOF étaient également présents dans la nature. Certes, on ne les a trouvés jusqu’à maintenant que sous forme de minéraux rares, dans des mines de charbon de la Sibérie, mais la découverte n’en demeure pas moins étonnante.

Publiée dans le journal Science Advances, cette découverte « change complètement notre perception de ces matières très recherchées, considérées comme purement artificielles et conçues sur mesure », indique Tomislav Friščić, auteur principal et professeur agrégé de chimie à l’Université McGill. « Maintenant, nous pouvons espérer trouver d’autres MOF, en quantité plus abondante. »

Cette découverte est l’aboutissement d’une longue quête amorcée il y a six ans. Dans une revue canadienne de minéralogie, le Pr Friščić était alors tombé sur un article faisant mention de deux minéraux, soit le « stepanovite » et le « zhemchuzhnikovite ». La structure cristalline de ces minéraux, découverts en Russie entre les années 1940 et 1960, n’avait pas été entièrement caractérisée. Cependant, les minéralogistes russes de l’époque avaient analysé leur composition chimique et les paramètres fondamentaux de leur structure à l’aide d’une technique appelée diffraction de rayons X sur poudres. Selon le Pr Friščić, ces paramètres donnaient à penser que la structure des minéraux pouvait s’apparenter à celle d’un MOF synthétique.

Il n’en fallait pas plus pour piquer sa curiosité. Le Pr Friščić s’est donc mis en quête d’échantillons de ces minéraux rares, sollicitant experts, musées et fournisseurs en Russie et ailleurs dans le monde. Après l’échec d’une piste prometteuse auprès d’un musée minier de Saint-Pétersbourg, Igor Huskić, étudiant aux cycles supérieurs membre de l’équipe du professeur, s’est employé à synthétiser des analogues de ces minéraux en laboratoire. L’expérience s’est révélée concluante. L’an dernier, cependant, une importante revue a refusé de publier le résultat de ces travaux, notamment parce que la description initiale des minéraux avait paru dans une revue de minéralogie russe plutôt obscure.

Puis le vent a tourné. En effet, un collègue cristallographe du Venezuela a mis les chimistes de McGill en relation avec deux éminents minéralogistes russes : les professeurs Sergey Krivovichev, de l’Université d’État de Saint-Pétersbourg, et Igor Pekov, de l’Université d’État Lomonosov de Moscou.

Les Prs Krivovichev et Pekov ont réussi à obtenir les échantillons originaux des deux minéraux rares, trouvés des dizaines d’années auparavant dans une mine de charbon enfouie profondément sous le pergélisol sibérien. Les experts russes ont également pu préciser la structure cristalline des minéraux. Leurs conclusions sont venues confirmer les premiers résultats de la synthèse en laboratoire des chercheurs de McGill.

Le « stepanovite » et le « zhemchuzhnikovite » présentent la même structure complexe, en nid d’abeille, que celle des MOF, qui se caractérise sur le plan moléculaire par de grandes cavités. Cependant, ces deux minéraux ne correspondent pas aux variétés de MOF les plus prisées, soit celles qu’on utilise dans les voitures à hydrogène ou pour capter les résidus de dioxyde de carbone.

Le Pr Friščić et ses collaborateurs ont donc élargi leur sphère de recherche et tentent maintenant de déterminer s’il existe d’autres minéraux, plus abondants, dotés d’une structure poreuse se prêtant bien à des utilisations telles que le stockage de l’hydrogène, voire l’administration de médicaments.

Quoi qu’il en soit, la découverte de structures de type MOF dans ces deux minéraux rares entraîne en soi un « changement de paradigme », estime le Pr Friščić. Le chercheur ajoute que si les scientifiques avaient été en mesure de caractériser ces structures dans les années 1960, la mise au point de matériaux MOF « aurait pu être devancée de 30 ans. »


Ces travaux ont été financés par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies et l’Université d’État de Saint-Pétersbourg.

L’article « Minerals with metal-organic framework structures », par Igor Huskić, Igor V. Pekov, Sergey V. Krivovichev et Tomislav Friščić, a été publié le 5 août 2016 dans Science Advances. DOI : 10.1126/sciadv.1600621

Crédits photo: 

  • Haut: Igor Huskić, Friščić Research Group, McGill University
  • Droite: Igor Huskić, Friščić Research Group, McGill University
  • Gauche: Luzia Germann, Dinnebier Research Group, MPI Stuttgart and Igor Huskić, Friščić Research Group, McGill University

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