Quand le confinement d'une molécule élargit les applications d'un MOF (Metal-organic framework)

Avec l'appui de collègues français et espagnols, des physiciens rennais ont montré qu'en présence d'une molécule invitée confinée dans ses nanopores, un MOF particulier peut induire des matériaux à transition de spin bistables, pilotés par la température, la pression ou la lumière, via une succession d'étapes complexes impliquant des ruptures de symétrie. Ce travail fournit les bases de nouvelles applications dans les technologies de séparation, d’adsorption et de senseurs. Publication dans Physical Review B (9 avril 2020).

Matrice MOF (metal-organic framework) vide, prête à accueillir une molécule fonctionnalisée (à g.) - © IPR/C. Mariette et al.
  1. Les MOFs hôtes et leur pilotage
  2. Le rôle des molécules confinées
  3. Vers de nouvelles applications
  4. Référence

Les MOFs hôtes et leur pilotage

Les matériaux de type Metal-Organic Frameworks (MOFs) sont des matériaux nanoporeux (hôtes) capables de piéger des molécules (invitées) et présentant une flexibilité qui leur confère une caractéristique physique unique. En effet, la modulation de la forme et de la taille des pores offre un terrain fondamental dans l’étude des transitions de phases et permet d’envisager de nouvelles approches en termes d’adsorption et de séparation de gaz.

Tandis que la pression mécanique, l’adsorption, la température et le champ électrique ont été identifiés comme des stimuli induisant ces transitions structurales avec des variations de volume de plus de 50%, celles induites par changement d'états électroniques ont été peu explorées.

L'étude, conduite par une collaboration française et espagnole emmenée par les physiciens rennais de l'Institut de physique de Rennes s'est basée sur l'utilisation d'une matrice hôte MOF présentant une bistabilité entre états de spin de type dite "Spin Cross-Over (SCO)" où les états haut spin (HS) et bas spin (BS) correspondent à des volumes très différents. L’utilisation combinée des propriétés MOF et SCO élargit donc la palette des outils de pilotage : les états de spin peuvent alors être pilotés par la température, la pression ou la lumière (effet LIESST).
 

MOF hôte et molécules invitées confinées (benzaldéhyde) - Ce "Metal-organic framework" (MOF) est un composé hautement poreux où l'on peut insérer des molécules portant des fonctionnalités. Les molécules invitées (comme ici, au centre des deux structures carrées) génèrent des interactions de type liaison hydrogène avec la matrice hôte permettant ainsi, par phénomène de contraction, d'induire le processus dit "Spin Crossover" (SCO). - © IPR/C.Mariette et al.

 

Le rôle des molécules confinées

Un dernier paramètre peut être associé au rôle induit par les molécules confinées elle-mêmes. Les chercheurs ont en effet mis en évidence un comportement original lié aux interactions hôtes-invités qui génèrent une conversion magnétique en une succession d'étapes complexes. Ceci se produit uniquement en présence d’une molécule invitée (benzaldéhyde), confinée en l'occurence dans les nanopores du MOF-SCO Fe(tvp)2(NCS)2.

En couplant des techniques de mesure de susceptibilité magnétique (mise en évidence de la transition de spin), de diffraction X (détermination des structures et mise en évidence de la rupture de symétrie), de chimie quantique, de spectroscopie Raman (modes de vibration) et de simulation moléculaire (interaction hôte-invité, invité-invité), ils ont montré le rôle fondamental de la présence de « l'invité » dans le processus de transition de spin.

Vers de nouvelles applications

Ce travail, qui montre que l’inclusion de molécules invitées dans le MOF induit des matériaux à transition de spin bistables, fournit ainsi les bases de nouvelles applications dans les technologies de séparation, d’adsorption et de senseurs.

Référence

Symmetry breakings in a metal organic framework with a confined guest
Céline Mariette, Elżbieta Trzop, Jean-Yves Mevellec, Abdou Boucekkine, Aziz Ghoufi, Guillaume Maurin, Eric Collet, M. Carmen Muñoz, José Antonio Real and Bertrand Toudic
Phys. Rev. B 101, 134103 – 9 avril 2020 | doi:10.1103/PhysRevB.101.134103

[Cet article est une adaptation légère d'une présentation rédigée par C. Mariette et B. Toudic.]