Le prix Nobel de chimie 2025 a été décerné le 8 octobre 2025 à Richard Robson, Susumu Kitagawa et Omar Yaghi pour le développement de structures métallo-organiques, ou MOF, qui sont des structures cristallines accordables à porosité extrêmement élevée. Il s’agit d’une classe de matériaux qui ont véritablement changé la façon dont les scientifiques conçoivent et envisagent la matière, inspirant des progrès dans diverses applications.
Je suis un scientifique du MOF et pour beaucoup d'entre nous dans le domaine, cette reconnaissance semble à la fois historique et profondément personnelle. Les MOF ne sont pas seulement des cristaux élégants que vous admireriez au microscope ; c'est tout un univers de structures, chacune comme une ville miniature de tunnels et de pièces attendant d'être remplies. Ils sont mon foyer scientifique depuis que je me suis lancé dans la recherche, et ils me semblent toujours un peu magiques.
Alors, que sont exactement les MOF ?
Les structures métallo-organiques sont comme des échafaudages cristallins construits à partir de deux ingrédients : des métaux qui agissent comme des articulations conjonctives et des molécules organiques, c'est-à-dire à base de carbone, qui se comportent comme des ponts pour relier ces articulations selon un motif répétitif. Le résultat est un cadre poreux hautement ordonné, une sorte d’architecture moléculaire à la fois robuste et pleine d’espace vide.
Ces structures sont si poreuses, comme des éponges avec de minuscules vides, qu'il est presque impossible de les imaginer. Un gramme de MOF possède tellement de pores qu’il peut exposer autant de surface interne qu’un terrain de football. Il est étonnant qu'une poignée de poudre puisse cacher tout un paysage de surface.
Cette énorme surface est l’une des caractéristiques uniques qui rendent les MOF si puissants. Elle provient des pores à l’échelle nanométrique, de minuscules salles moléculaires capables de piéger, séparer, transformer ou transporter des gaz, des ions et d’autres molécules. D’une certaine manière, les MOF sont comme des hôtels moléculaires dotés d’innombrables portes, chacune programmée pour n’admettre que certains clients.
Pourquoi les scientifiques les aiment
Ce qui me fascine le plus dans les structures métallo-organiques, c'est leur espace de conception illimité. Il suffit de jeter un coup d’œil au tableau périodique pour constater que chaque métal pourrait, en principe, servir de pierre angulaire et que d’innombrables molécules organiques pourraient servir de ponts entre eux. Même l’utilisation de la même combinaison peut produire des architectures totalement différentes.
Jusqu’à présent, les scientifiques ont synthétisé plus de 90 000 MOF et les chimistes computationnels en ont prédit des centaines de milliers d’autres. Peu de familles de matériaux offrent une telle polyvalence.
J'aime considérer les MOF comme des puzzles ou des ensembles Lego, mais à l'échelle atomique. Vous pouvez remplacer une seule pièce, ou changer sa couleur ou sa forme, et vous retrouver avec un matériau qui se comporte complètement différemment.
Ajoutez une nouvelle « décoration » – ce que les chimistes appellent un groupe fonctionnel – et la structure reconnaît soudainement une nouvelle molécule. Étirez les ponts organiques et la même architecture se gonfle comme un ballon, donnant ce que nous appelons des MOF isoréticulaires. Ceux-ci ont la même structure, mais des pores plus gros. En bref, les MOF peuvent prendre presque toutes les formes, tailles et textures imaginables.
Repousser les limites de ces matériaux
Au-delà de leur élégance scientifique, les MOF sont incroyablement prometteurs pour les technologies du monde réel. Différentes structures et fonctionnalités conduisent à des propriétés différentes et donc à des utilisations différentes.
Certains MOF agissent comme des tamis moléculaires, capturant sélectivement le dioxyde de carbone des gaz d’échappement industriels ou même directement de l’air. D'autres nettoient l'eau polluée en éliminant les métaux lourds, les colorants ou les « produits chimiques éternels ».
Certains MOF peuvent également transporter des médicaments ou des agents d'imagerie à l'intérieur du corps pour des applications médicales. Dans le monde de l’énergie, ils fonctionnent comme des électrodes ou des électrolytes qui rendent les batteries plus sûres et plus efficaces. Et beaucoup servent de catalyseurs, accélérant les réactions chimiques qui transforment une molécule en une autre.
Lorsque j'ai commencé mon doctorat, mes collègues seniors m'ont prévenu que les MOF pourraient être trop délicats : de beaux cristaux qui s'effondreraient au premier soupçon d'air ou d'humidité. En effet, certains des premiers cadres étaient des curiosités fragiles, admirées davantage pour leur élégance que pour leur endurance. Mais cette perception a radicalement changé.
De nombreux MOF sont désormais remarquablement robustes. Le matériau sur lequel j’ai d’abord travaillé était une armature métallo-organique à base de titane nommée MIL-125. Cela a été rapporté pour la première fois par Gérard Férey, l'une des figures fondatrices de la communauté des MOF et des cadres poreux, malheureusement décédé en 2017. Le MIL-125 était non seulement stable, il était pratiquement indestructible dans mon laboratoire. Après en avoir synthétisé deux grammes, je l'ai stocké sur mon banc dans un flacon ouvert et j'ai utilisé ce même lot pour chaque expérience catalytique tout au long de mon doctorat. Pas de boîte à gants, pas de dessiccateur, juste un pot de poudre jaune posé joyeusement sur mon banc.
Cette expérience m’a appris quelque chose d’important : même si la stabilité peut être une préoccupation légitime, les MOF ont grandi. Grâce à une chimie intelligente, nous disposons de matériaux capables de résister à l’eau, à la chaleur et à un usage répété. Depuis leur création, des chercheurs du monde entier ont introduit de nouvelles propriétés dans ces matériaux (de la conductivité électrique à la réactivité à la lumière) et, surtout, ont réalisé des progrès majeurs dans la mise à l'échelle de la synthèse MOF pour les applications industrielles.
La mise à l’échelle est l’étape clé pour combler le fossé entre la découverte fondamentale et le déploiement à grande échelle. Les chercheurs ne se contentent plus d’étudier les MOF en milligrammes : ils envisagent souvent des grammes, des kilogrammes et au-delà.
Certaines startups transforment ces avancées en véritables technologies, qu'il s'agisse de stocker les gaz de manière plus sûre, d'extraire de l'eau propre directement de l'air du désert ou de construire des climatiseurs plus économes en énergie. Ce qui ressemblait autrefois à de la science-fiction – des poudres qui respirent, piègent et transforment des molécules – est désormais une réalité scientifique.
Malgré ces progrès, les chercheurs devront continuer à améliorer la stabilité et l’évolutivité des MOF pour exploiter pleinement le potentiel de ces matériaux dans le monde réel.
Un moment Nobel qui honore la créativité
Le prix Nobel de chimie 2025 ne se limite pas à honorer trois scientifiques remarquables : il célèbre toute une communauté : une génération de chimistes et d’ingénieurs qui ont transformé une seule idée en un domaine florissant. Les visions pionnières de Richard Robson, Susumu Kitagawa et Omar Yaghi ont jeté les bases d'une discipline dynamique qui s'est développée pour englober tout, du stockage et de la catalyse du gaz aux technologies énergétiques et environnementales.
Lorsque j'ai assisté à ma première conférence MOF en tant que doctorat de deuxième année. étudiant, j’ai écouté avec admiration de nombreux pionniers dans ce domaine, dont certains sont aujourd’hui lauréats du prix Nobel. À l’époque, les MOF ressemblaient à des éponges magiques, et ce sentiment d’émerveillement ne m’a jamais quitté. Cela m’a amené à poursuivre mes recherches sur les MOF conducteurs : des matériaux capables de transporter l’électricité. Aujourd’hui, dans mon propre groupe de recherche, nous étudions comment ces cadres peuvent rendre les batteries plus sûres et plus efficaces, et comment elles peuvent capter les gaz résiduaires et les transformer en produits chimiques utiles en utilisant la lumière du soleil.
Pour moi, ce prix Nobel célèbre plus qu'une découverte, il célèbre une philosophie : la chimie est créative, nous pouvons concevoir et fabriquer de la matière avec imagination, et parfois le vide peut être l'essence même d'un matériau.
