Lorsque le prix Nobel de chimie 2025 a honoré Omar Yaghi, le « père des structures métallo-organiques » ou MOF, aux côtés de Susumu Kitagawa et Richard Robson, il a célébré bien plus que la création d'une nouvelle classe de matériaux cristallins. Il reconnaît une révolution qui remodèle discrètement la manière dont les scientifiques capturent, stockent et détectent les molécules. Ces MOF pourraient permettre l’utilisation de technologies de capteurs rendant les lieux de travail, l’environnement et le corps humain plus sûrs.
Que sont les MOF et pourquoi sont-ils importants ?
Les MOF sont fabriqués en liant des ions métalliques (des atomes porteurs d'une charge électrique) avec des molécules organiques, les éléments constitutifs à base de carbone présents dans la plupart des êtres vivants. Ensemble, ils forment de minuscules structures semblables à des éponges pleines de pores microscopiques. Vous pouvez les imaginer comme un échafaudage à l’échelle atomique rempli de pièces de taille nanométrique, chacune conçue avec précision pour accueillir certaines molécules comme des invités.
Étant donné que les chimistes peuvent mélanger et assortir différents métaux et agents de liaison organiques, il existe des milliers de MOF possibles, chacun ayant des propriétés uniques. Selon leur structure, certains ont une surface interne tellement grande qu'un seul gramme pourrait couvrir un terrain de football.
Cette porosité semblable à une éponge, c'est-à-dire de nombreux petits trous à l'intérieur, permet aux MOF de piéger et de libérer des gaz, de stocker des carburants riches en énergie comme l'hydrogène et de capturer les polluants nocifs. Les MOF peuvent utiliser une variété de produits chimiques dans leur structure, ce qui permet aux chercheurs d'affiner la force avec laquelle un MOF interagit avec des molécules spécifiques.
Ces caractéristiques ont déjà inspiré des utilisations potentielles telles que la capture du dioxyde de carbone de l’air pour réduire les concentrations de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, l’extraction de l’eau propre de l’air humide et l’administration de médicaments à l’intérieur du corps. Au cours de la dernière décennie, les propriétés uniques des MOF ont également ouvert de nouvelles possibilités de détection.
Depuis 2016, notre équipe d'ingénieurs développe des capteurs basés sur MOF capables de détecter en temps réel certains gaz et vapeurs dans un environnement. Les propriétés uniques de ces matériaux ouvrent de nouvelles possibilités de détection en matière de surveillance de la santé, de la sécurité et de l'environnement.
Du matériau de stockage au matériau de détection
Lorsqu'un MOF absorbe des molécules de gaz ou de liquide, sa minuscule structure change très légèrement : sa taille, la façon dont il courbe la lumière ou la façon dont il conduit l'électricité, en fonction du nombre de molécules qu'il absorbe.
En connectant les MOF à des appareils capables de détecter les changements de lumière ou d'électricité, les chercheurs peuvent transformer ces minuscules changements en signaux mesurables tels que la lumière, la fréquence ou la tension. Les signaux révèlent ensuite quel produit chimique est présent et quelle quantité il y a. En termes simples, lorsque des molécules entrent ou sortent des pores du MOF, elles modifient légèrement la façon dont la lumière le traverse ou la façon dont l'électricité se comporte autour de lui, et ces changements deviennent la sortie lisible du capteur.
Notre groupe de l'Université des sciences et technologies du Missouri a développé plusieurs types de plates-formes de capteurs basées sur MOF. Sur toutes ces plates-formes, l'idée de base est la même : les MOF agissent comme des éponges sélectives qui retiennent temporairement certaines molécules de gaz dans leurs minuscules cages, et nos appareils mesurent le moment et la quantité de cette absorption et de cette libération.
Dans une étude, nous avons attaché un monocristal d'un MOF à base de cuivre appelé HKUST-1 à l'extrémité lisse et plate d'une fibre optique coupée, le même type de mince brin de verre utilisé pour transporter les signaux Internet et téléphoniques.
Cette combinaison cristal-fibre fonctionnait comme un petit appareil capable de mesurer la façon dont les ondes lumineuses interfèrent les unes avec les autres. À mesure que les molécules de gaz proches pénétraient dans les minuscules pores du cristal MOF, la façon dont il se courbait et réfléchissait la lumière changeait légèrement. La fibre optique, connectée à une source de lumière et à un détecteur, a capté ces changements, nous permettant de voir en temps réel combien de molécules de gaz le matériau absorbait.
Nos sondes montrent non seulement que les molécules de gaz pénètrent dans les minuscules cages du MOF, mais aussi à quelle vitesse elles vont et viennent. En mesurant à la fois la quantité et la vitesse d'adsorption et de libération, nous pouvons déterminer quelles molécules sont absorbées et dans quelle proportion, lorsque plusieurs sont présentes ensemble. Cette vue dynamique nous aide à voir, en temps réel, comment le matériau sélectionne un gaz cible plutôt que d'autres. Il transforme l'adsorption en un signal mesurable et utile pour la détection et l'identification.
Dans le domaine des soins de santé, un MOF peut agir comme une éponge sélective pour des molécules respiratoires spécifiques qui indiquent des maladies réelles et mesurables. Par exemple, un MOF conçu pour adsorber l’acétone peut capturer et concentrer ce gaz provenant de l’air expiré. Les niveaux d'acétone dépassent les valeurs normales chez les personnes atteintes d'acidocétose diabétique, permettant au capteur de détecter clairement et quantitativement la maladie.
De même, un MOF qui adsorbe sélectivement l’ammoniac peut concentrer ce composé à partir de l’air expiré. Les niveaux d'ammoniac augmentent au-dessus des valeurs normales chez les personnes atteintes d'une maladie rénale chronique, le capteur peut donc fournir un indicateur précis d'une fonction rénale réduite. L’intégration de tels MOF dans le matériel des capteurs permettrait un dépistage sensible et non invasif de ces deux maladies, basé sur des marqueurs respiratoires quantifiables.
Enduire un matériau avec une fine couche de MOF peut prendre des heures. Mais récemment, nous avons développé une méthode simple et rapide de « séchage par gouttelettes » qui forme une couche cristalline du MOF HKUST-1 à base de cuivre directement sur l’extrémité d’une fibre optique en moins de deux minutes. Le film résultant, mesurant seulement environ 1/20ème de la largeur d'un cheveu humain, a agi comme un capteur de gaz haute performance qui a détecté l'humidité, l'éthanol ou le dioxyde de carbone dans l'environnement en quelques secondes.
Nous avons également combiné des MOF avec un appareil métallique portable capable de détecter les changements dans les signaux micro-ondes, un peu comme la façon dont une antenne radio capte les ondes invisibles dans l'air. Lorsque les molécules de gaz pénétraient dans la couche MOF, elles modifiaient légèrement la façon dont l'appareil répondait à ces ondes, lui permettant de détecter les gaz avec une sensibilité remarquable.
Ce capteur est conçu pour un appareil portable et peu coûteux, capable de distinguer un type de molécule de gaz d'un autre, plutôt que de simplement détecter la présence d'un certain gaz. C'est comme avoir un nez capable de distinguer les pommes des oranges, et pas seulement de détecter une odeur fruitée.
Nos recherches suggèrent que les capteurs MOF intégrés à des appareils compacts et économes en énergie peuvent détecter des molécules spécifiques, même lorsque seules des traces sont présentes dans l'air. Les pores d'un MOF peuvent être conçus pour concentrer des molécules cibles spécifiques. Toutes les molécules plus petites que la fenêtre d’une cage MOF entreront dans la cage. Nous concevons donc les capteurs de manière à ce que les molécules que nous souhaitons détecter résident plus longtemps dans les cages. L’immense surface interne créée par ces pores les rend incroyablement réactifs. Même quelques molécules piégées peuvent déclencher un signal clair.
Ces capteurs fonctionnent également à température ambiante et nos recherches suggèrent qu'ils sont plus précis et adaptables que de nombreux capteurs chimiques traditionnels.
Vers un impact concret
Les principaux défis résident dans l'amélioration de la durabilité à long terme et de la résistance à l'environnement des MOF. De nombreuses structures se dégradent sous l’effet de l’humidité ou de la chaleur, même si certains groupes de recherche étudient comment les rendre plus stables.
Lorsqu'ils sont combinés à des algorithmes d'apprentissage automatique, ces capteurs peuvent apprendre à reconnaître les modèles de plusieurs gaz à la fois, plutôt que de détecter un seul produit chimique à la fois, un peu comme le nez humain peut distinguer différentes odeurs. Cette capacité pourrait même s'étendre à la surveillance de la respiration humaine, où des changements subtils dans les gaz expirés fournissent des indices précoces sur des maladies telles que le diabète, les infections pulmonaires ou le cancer.
Les chercheurs travaillent à intégrer des MOF dans des films flexibles, des circuits imprimés et des appareils sans fil. Grâce à ces nouvelles avancées et à des recherches plus approfondies, les MOF pourraient un jour relier la chimie et l’ingénierie. Comme l'a reconnu le prix Nobel, les MOF illustrent comment la conception à l'échelle moléculaire peut aider à atténuer les problèmes auxquels les humains sont confrontés à l'échelle mondiale.
Si les chercheurs parviennent à développer cette technologie et à surmonter les défis, des réseaux de capteurs MOF à fibre optique et à micro-ondes pourraient un jour surveiller les installations industrielles, les pipelines et même la respiration humaine à la recherche de produits chimiques indésirables afin d'améliorer la sécurité, l'efficacité et la santé.
