Depuis des millénaires, les civilisations humaines ont défini leurs âges par les matériaux dominants de leur époque : Pierre, Bronze, Silicium. Aujourd’hui, le lauréat du prix Nobel Omar Yaghi affirme qu’une nouvelle ère s’ouvre, portée par une classe révolutionnaire de matériaux connus sous le nom de structures métallo-organiques (MOF) et de structures organiques covalentes (COF). Ces structures cristallines, mises au point dans les années 1990, possèdent une porosité sans précédent, créant ainsi des matériaux dont le volume interne dépasse largement leur taille externe. Cette découverte, récompensée par le prix Nobel de chimie 2025, est sur le point de remodeler les industries, de la récupération de l’eau au captage du carbone.
La percée : exploiter la construction moléculaire
Les travaux de Yaghi se concentrent sur la « chimie réticulaire », l’assemblage précis de matériaux au niveau moléculaire. Contrairement à la synthèse traditionnelle des matériaux, qui aboutit souvent à des structures désordonnées, la chimie réticulaire vise des formes cristallines parfaites et répétitives. Le défi était immense ; la nature elle-même favorise le désordre, ce qui rend impossible la création de matériaux stables et ordonnés à grande échelle.
Cependant, en 1999, l’équipe de Yaghi a synthétisé le MOF-5, un matériau à base de zinc doté d’une surface sans précédent : quelques grammes équivalents à l’espace interne d’un terrain de football. Cette avancée a révélé le potentiel des MOF et des COF : des matériaux capables de piéger sélectivement les gaz, d’extraire l’eau de l’air aride et de révolutionner les procédés chimiques.
De la curiosité intellectuelle à l’impact sociétal
Initialement motivées par un défi purement intellectuel – le désir de construire des matériaux molécule par molécule – les recherches de Yaghi ont rapidement évolué vers la résolution de problèmes du monde réel. La clé de la stabilité réside dans le contrôle minutieux de l’environnement de synthèse, permettant la formation de structures ordonnées. Une fois maîtrisée, l’extraordinaire porosité des MOF et COF a ouvert les portes d’applications auparavant considérées comme inaccessibles.
«Quand on connaît la porosité de ces matériaux, on pense immédiatement au piégeage des gaz», explique Yaghi. “Ces matériaux englobent des compartiments de l’espace où une molécule d’eau ou de dioxyde de carbone… peut s’asseoir.” Cette propriété fondamentale est désormais exploitée dans des technologies conçues pour extraire l’eau de l’air du désert (même lorsque l’humidité est inférieure à 20 %) et capter le dioxyde de carbone directement de l’atmosphère.
Mise à l’échelle : du laboratoire à l’industrie
L’entreprise de Yaghi, Atoco (fondée en 2020), pilote la commercialisation de ces matériaux. Les avancées récentes incluent le COF-999, un matériau de capture du carbone très efficace testé pendant plus de 100 cycles à Berkeley, et des dispositifs capables de récolter des milliers de litres d’eau par jour.
La vision à long terme s’étend au-delà des applications actuelles :
- Production durable : Les MOF et les COF peuvent être démontés dans l’eau sans libérer de résidus nocifs, répondant ainsi aux problèmes potentiels de déchets.
- Efficacité énergétique : L’utilisation de la chaleur perdue et de la lumière du soleil ambiante pour alimenter les cycles de capture/libération réduit la consommation d’énergie.
- Conception basée sur l’IA : L’intelligence artificielle accélère l’optimisation des propriétés MOF et COF, raccourcissant ainsi les cycles de développement.
L’avenir des matériaux : hétérogénéité et catalyse
Alors que les recherches actuelles se concentrent sur l’optimisation des matériaux existants, le laboratoire de Yaghi explore les « matériaux multivariés » – des structures avec des environnements internes intentionnellement inégaux. En combinant des squelettes ordonnés avec des « tripes » hétérogènes, ces matériaux pourraient atteindre une sélectivité et une efficacité sans précédent dans l’absorption des gaz et les réactions chimiques.
De plus, les MOF et les COF sont prometteurs en catalyse, reproduisant potentiellement l’efficacité des enzymes pour la synthèse chimique industrielle. Cela pourrait conduire à une production plus rapide et plus durable de produits pharmaceutiques et d’autres composés vitaux.
« Nous vivons une révolution », affirme Yaghi. « Nous pouvons concevoir des matériaux comme nous ne l’avons jamais fait auparavant et les connecter à des utilisations comme nous ne l’avons jamais fait auparavant. »
La croissance exponentielle des brevets liés aux MOF et COF suggère que cette révolution est déjà en cours. Alors que la recherche converge avec l’ingénierie et l’intelligence artificielle, la chimie réticulaire est sur le point de définir une nouvelle ère dans la science des matériaux – une ère où les matériaux ne sont pas seulement assemblés, mais précisément conçus pour un avenir durable et efficace.
