Une étude, dont les résultats intitulés «Liquid metal–organic frameworks» ont été publiés dans la revue Nature Materials, a permis de mettre en évidence, pour la première fois, la capacité surprenante d'un type de réseau métallo-organiques à garder ses propriétés de porosité à l'état liquide, puis à l'état vitreux, ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications industrielles.

Rappelons tout d'abord que les réseaux métallo-organiques (MOFs), «connus pour leur porosité exceptionnelle permettant de piéger ou de transporter des molécules», constituent «une classe de matériaux particulièrement prometteuse», car leur porosité «permet de stocker et de séparer de grandes quantités de gaz, ou d'agir comme catalyseur de réactions chimiques». Cependant, «leur structure cristalline implique qu'ils sont produits sous forme de poudre», ce qui les rend difficiles «à mettre en œuvre pour des applications industrielles».

Dans ce contexte, l'étude ici présentée démontre «que les propriétés d'un type de MOF à base de zinc étaient de manière inattendue conservées en phase liquide (l'état liquide n'est pas celui qui favorise la porosité)» et prouve qu'ensuite, après refroidissement et solidification, «le verre obtenu adopte une structure désordonnée, non-cristalline, qui conserve également les mêmes propriétés en termes de porosité». De ce fait, les caractéristiques qui viennent d'être découvertes conduisent à «une mise en forme et une utilisation de ces matériaux bien plus efficaces que sous forme de poudre».

Pour mettre en évidence ces caractéristiques, la structure du MOF a été observée par diffraction de neutrons et de rayons X après fusion, «une fois celui-ci en phase liquide». Ces données ont été ensuite corrélées «à des simulations moléculaires reproduisant les mêmes conditions de température que celles appliquées au MOF lors de sa fusion». Cette combinaison de méthodes a permis «de décrire l'évolution de la structure du matériau lorsqu'il passe en phase liquide et lorsqu'il se re-solidifie». De la sorte, un 'mécanisme atypique' a été révélé.

Plus précisément, le MOF analysé «est composé d'édifices moléculaires en forme de pyramide, dont chacune consiste en un atome de zinc entouré de quatre molécules organiques cycliques, appelées imidazolate» et, lors de la fusion, «l'énergie amenée par l'élévation de température permet de rompre une liaison entre un imidazolate et le zinc, brisant la structure pyramidale», la place vacante étant «alors occupée par un autre cycle imidazolate lâché par une pyramide voisine pour reformer la structure de base». Le caractère liquide du MOF provient de «ces échanges moléculaires entre édifices complexes».

Pour ce qui concerne le MOF analysé, «la porosité réside dans la présence d'interstices inoccupés entre les édifices pyramidaux, qui peuvent être remplis par des gaz» et «comme le MOF conserve la même structure pyramidale à l'état liquide, sa porosité est maintenue dans cet état».