Expirer en inspirant : le comportement anormal d’un matériau nanoporeux

 

Véritables éponges high-tech de l’infiniment petit, les matériaux nanoporeux permettent de capturer et libérer de manière contrôlée les composés chimiques, gaz ou liquides. Une équipe franco-allemande comprenant des chercheurs de l’Institut de recherche de Chimie Paris (CNRS/Chimie ParisTech) et de l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier (CNRS/Université de Montpellier/ENSCM)1 a mis au point et décrit un de ces matériaux au comportement totalement contre-intuitif, le DUT-49. Lorsque la pression augmente pour faire entrer davantage de gaz dans un échantillon de DUT-49, celui-ci se contracte subitement et libère son contenu comme si, au cours d’une inspiration, les poumons se rétractaient et expulsaient l’air qu’ils contiennent. Publiés le 6 avril 2016 sur le site de la revue Nature, ces travaux permettent d’envisager des comportements innovants en science des matériaux. 

La capture de molécules toxiques dans l’air ambiant, le stockage de l’hydrogène ou la libération ciblée de médicaments… Autant d’applications qui peuvent faire appel à des matériaux nanoporeux flexibles. Ces matériaux utilisent la grande surface déployée par leurs pores pour capter et stocker les molécules de gaz ou de liquide : c’est le phénomène d’adsorption2. Leurs pores peuvent ainsi adsorber des quantités impressionnantes de produits, s’agrandissant dans la limite de leur flexibilité.

Une équipe franco-allemande a conçu un nouveau type de matériau nanoporeux : le DUT-49. Formé par auto-assemblage d’un squelette carboné et d’atomes de cuivre, sa structure est à la fois organique et métallique. Il se présente sous la forme d’une poudre incroyablement poreuse : la superficie interne3 d’un seul gramme de ce matériau couvre 5000 m². Le DUT-49 est ainsi capable d’adsorber l’équivalent du tiers de son poids en méthane. Tout comme les autres matériaux « intelligents » de sa famille, ses propriétés changent selon les stimulations extérieures, comme la pression, la température ou la lumière. Si l’on augmente la pression lors de la capture d’un gaz, on augmente à la fois la quantité de gaz adsorbée et, dans le cas le plus courant, la taille des pores du matériau. La très grande flexibilité du DUT-49 provoque cependant un phénomène imprévu : alors que le matériau se remplit de gaz jusqu’à une certaine pression, il va se contracter brutalement et voir son volume diminuer de moitié si la pression continue d’augmenter.

Les chercheurs ont d’abord cru à une erreur d’instrumentation, car aucun autre des millions de matériaux connus qui adsorbent les gaz ne se comporte ainsi. Ce phénomène « d’adsorption négative » a pourtant bien été confirmé par des mesures complémentaires et l’équipe est parvenue à en décrire le mécanisme. Les molécules de gaz stockées dans les pores du DUT-49 établissent des interactions fortes avec la structure de ce solide ce qui, selon la quantité de gaz adsorbée, perturbe la disposition des atomes qui le composent et finit par provoquer sa contraction. Testé avec le butane et le méthane, ce comportement caractéristique du DUT-49 serait généralisable à d’autres composés gazeux.

DUT-49 rejoint les récentes découvertes de matériaux aux propriétés physiques « anormales », comme ceux à expansion thermique négative qui se contractent lorsqu’ils sont chauffés. Ce résultat ouvre un grand champ d’étude dans la compréhension des matériaux poreux flexibles et permet d’envisager des comportements innovants en science des matériaux. Il pourrait ainsi conduire à développer des interrupteurs et des capteurs à échelle nanométrique. Le dégonflement du matériau correspond en effet à une réponse forte à un petit évènement, déclenché à partir d’une valeur seuil facilement détectable.

Pour lancer la vidéo d’une simulation de contraction moléculaire de DUT-49, cliquez ici

Communiqué de presse national : http://www2.cnrs.fr/sites/communique/fichier/cp_dut49_vf_web.pdf 

Notes :

1 Ces travaux ont notamment bénéficié du soutien de l’Institut universitaire de France.

2 Dans l’absorption, l’entité capturée disparaît, tandis que dans l’adsorption les molécules de gaz sont seulement piégées.

3 Ensemble de la surface disponible pour adsorber les molécules

Références :

A pressure amplifying framework with negative gas adsorption transitions. Simon Krause, Volodymyr Bon, Irena Senkovska, Ulrich Stoeck, Dirk Wallacher, Daniel M. Többens, Stefan Zander, Renjith S. Pillai, Guillaume Maurin, François-Xavier Coudert & Stefan Kaskel. Nature. 6 avril 2016.

doi: 10.1038/nature17430

 

Contact :

François-Xavier Coudert

01 44 27 65 99

fx.coudert@chimie-paristech.fr