Le prix Nobel de chimie de cette année a été décerné à trois chercheurs, dont Omar Yaghi, ancien élève de l'Université d'Albany, pour leurs travaux sur le développement de structures métallo-organiques (MOF), des matériaux moléculaires polyvalents qui peuvent être utilisés pour récupérer l'eau de l'air du désert, capturer le dioxyde de carbone, stocker des gaz toxiques et même catalyser des réactions chimiques.
Jeremy Feldblyum de l'Université d'Albany, professeur agrégé de chimie et directeur des études supérieures, est un expert des structures métallo-organiques, qu'il se consacre à étudier depuis deux décennies.
Tout en entreprenant son doctorat. à l'Université du Michigan, Feldblyum a travaillé avec Adam Matzger, qui a collaboré avec Omar Yaghi et co-découvert des méthodes permettant de fabriquer des matériaux de structure sans métal qui s'avèrent désormais prometteurs pour des applications dans les semi-conducteurs et les batteries, entre autres domaines scientifiques et technologiques.
S'inspirant de ses recherches supérieures et postdoctorales, Feldblyum a exploré les moyens de transformer les structures métallo-organiques en matériaux durables et performants pour une énergie propre et la durabilité. Son équipe a étudié les MOF capables de stocker des charges électriques, de conduire des ions et de récupérer sélectivement des éléments critiques comme le lithium à partir des déchets de batteries. Découvrir comment ces matériaux fonctionnent au niveau moléculaire pourrait conduire à des solutions plus intelligentes et plus durables pour le stockage de l'énergie, le recyclage et la protection de l'environnement.
Nous avons rencontré Feldblyum pour en savoir plus sur l'importance de faire progresser la recherche sur les structures métallo-organiques, sur ses propres travaux dans ce domaine et sur l'importance du prix Nobel de cette année pour les chercheurs travaillant dans ce domaine.
Que sont les structures métallo-organiques (MOF) ?
Les charpentes métallo-organiques sont des solides dont les structures chimiques ressemblent aux charpentes en acier à partir desquelles les gratte-ciel sont construits. Tout comme ces frames, les MOF servent de « ardoise vierge » des matériaux qui peuvent être personnalisés pour une myriade de fonctions allant de la purification de l’eau à l’imitation de la chimie effectuée par les enzymes de notre corps.
Comment êtes-vous devenu intéressé à travailler sur des structures métallo-organiques ?
Je suis tombé sur ce coin par hasard. Lorsque j'étais étudiant diplômé à l'Université du Michigan, je m'intéressais aux cellules solaires, mais pour remplir certaines exigences administratives, je devais également travailler dans un domaine lié aux polymères. Il se trouve qu'il y avait de la place dans le laboratoire d'Adam Matzger, un pionnier des MOF qui a travaillé avec Yaghi pendant les premières années du développement de ces matériaux. Après avoir rejoint le laboratoire, je suis devenu accro. Il y a un talent artistique dans la création de MOF que j'adore, et ils recèlent un énorme potentiel pour le bénéfice de l'humanité.
Quelles sont les applications les plus prometteuses de cette technologie ?
Fondamentalement, il n’existe aucun domaine scientifique ou technologique dans lequel les MOF ne seraient pas en mesure de jouer un rôle. Les directions les plus prometteuses sont celles où les MOF offrent des avantages inégalés : séparations économes en énergie et séparations de minéraux rares et critiques, dispositifs de stockage d'énergie haute performance (par exemple, pour ceux utilisés dans l'aéronautique et l'espace) et médecine (administration de médicaments en particulier).
Qu’étudiez-vous maintenant ?
Notre laboratoire examine de nombreux aspects de la sécurité énergétique et matérielle. Notre travail dans les MOF se concentre principalement sur l’amélioration de la chaîne d’approvisionnement des batteries et sur la possibilité d’une purification chimique fine qui s’est avérée extrêmement difficile par d’autres moyens. Cependant, les intérêts de notre groupe de recherche sont vastes et nous explorons actuellement des voies allant de l'alimentation (par exemple, en utilisant ces matériaux pour modifier la texture des aliments ou fournir des vitamines) jusqu'à de nouvelles phases de la matière dans lesquelles les MOF peuvent jouer un rôle clé.
Qu’est-ce que cela signifie pour vous que ce domaine de recherche soit reconnu par un prix Nobel ?
Lorsque j’ai commencé mes études supérieures, je n’aurais pas pu imaginer à quel point les MOF seraient omniprésents dans le paysage scientifique. Je suis fier d'avoir pu apporter une contribution unique à la compréhension de la structure et du comportement du MOF et je suis honoré de pouvoir travailler dans un domaine aussi important qui a un fort potentiel pour avoir un impact sur notre vie quotidienne.
Qu’est-ce qui vous passionne le plus concernant l’avenir de ce domaine de recherche ?
L’avenir des MOF est aussi illimité que celui de la chimie elle-même. Je suis constamment surpris par les méthodes nouvelles et innovantes utilisées par les scientifiques pour déployer ces matériaux, et je m'attends à de nombreuses autres découvertes inattendues concernant l'utilisation des MOF d'une manière qui n'a pas encore été démontrée. Ces matériaux ont le potentiel d’améliorer notre façon de travailler avec l’énergie, les matériaux et les produits pharmaceutiques.
En pensant à la situation dans son ensemble, il est inspirant de considérer la façon dont la science se développe au fil du temps, y compris les défis scientifiques que les scientifiques ont dû surmonter pour arriver là où nous en sommes aujourd'hui avec les cadres métallo-organiques. Les lauréats du prix Nobel de chimie de cette année, Susumu Kitagawa, Richard Robson et Omar Yaghi, ont été les pionniers de nombreux concepts fondamentaux utilisés par les chimistes pour fabriquer et étudier les MOF.
Robson a été le premier à comprendre comment la chimie de coordination – le domaine de la chimie concerné par la réactivité entre les espèces à base de métaux et de carbone – pouvait être utilisée pour concevoir et former rationnellement des MOF tridimensionnels à partir d’éléments chimiques délibérément sélectionnés. Kitagawa a été parmi les premiers à montrer que l'espace à l'intérieur des MOF pouvait être vidé sans détruire le matériau, ouvrant ainsi la voie à leur utilisation dans des applications allant des batteries à l'élimination des polluants. Yaghi a développé des méthodes simples et robustes pour créer des MOF qui ont permis leur utilisation par des scientifiques et des ingénieurs dans d'autres domaines. Grâce à ses contributions, des découvertes ont été faites dans des domaines allant des MOF conducteurs aux MOF utilisés dans l'informatique quantique.
Ensemble, ces travaux jettent les bases d’avancées transformationnelles dans les technologies de résilience climatique, de percées biomédicales et de nouveaux matériaux améliorés pour le bien public.
