Des scientifiques utilisent la modélisation informatique pour concevoir des matériaux "ultrastables
Ces cadres métallo-organiques très stables pourraient être utiles pour des applications telles que la capture des gaz à effet de serre
Les matériaux connus sous le nom de cadres métallo-organiques (MOF) ont une structure rigide en forme de cage qui se prête à toute une série d'applications, du stockage de gaz à l'administration de médicaments. En modifiant les éléments constitutifs des matériaux ou la façon dont ils sont disposés, les chercheurs peuvent concevoir des MOF adaptés à différentes utilisations.
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Cependant, toutes les structures MOF possibles ne sont pas suffisamment stables pour être utilisées dans des applications telles que la catalyse de réactions ou le stockage de gaz. Pour aider les chercheurs à déterminer les structures MOF les mieux adaptées à une application donnée, les chercheurs du MIT ont mis au point une approche informatique qui leur permet de prédire quelles structures seront les plus stables.
Grâce à leur modèle de calcul, les chercheurs ont identifié environ 10 000 structures MOF possibles qu'ils classent comme "ultrastables", ce qui en fait de bons candidats pour des applications telles que la conversion du méthane en méthanol.
"Lorsque les gens proposent des matériaux MOF hypothétiques, ils ne savent pas nécessairement à l'avance à quel point ces matériaux sont stables", explique Heather Kulik, professeur agrégé de chimie et de génie chimique au MIT et auteur principal de l'étude. "Nous avons utilisé des données et nos modèles d'apprentissage automatique pour trouver des éléments de construction censés présenter une grande stabilité et, lorsque nous les avons recombinés de manière beaucoup plus diversifiée, notre ensemble de données s'est enrichi de matériaux plus stables que n'importe quel autre ensemble de matériaux hypothétiques que l'on avait pu trouver auparavant.
Aditya Nandy, étudiant diplômé du MIT, est l'auteur principal de l'article, publié dans la revue Matter. Les autres auteurs sont Shuwen Yue, postdoc au MIT, Changhwan Oh et Gianmarco Terrones, étudiants diplômés, Chenru Duan PhD '22, et Yongchul G. Chung, professeur associé d'ingénierie chimique et biomoléculaire à l'université nationale de Pusan.
Modélisation des MOF
Les scientifiques s'intéressent aux MOF en raison de leur structure poreuse qui les rend bien adaptés aux applications impliquant des gaz, telles que le stockage de gaz, la séparation de gaz similaires ou la conversion d'un gaz en un autre. Récemment, les scientifiques ont également commencé à étudier la possibilité de les utiliser pour administrer des médicaments ou des agents d'imagerie à l'intérieur du corps.
Les deux principaux composants des MOF sont les unités de construction secondaires - des molécules organiques qui incorporent des atomes de métal tels que le zinc ou le cuivre - et des molécules organiques appelées linkers, qui relient les unités de construction secondaires. Ces éléments peuvent être combinés de différentes manières, tout comme les blocs de construction LEGO, explique M. Kulik.
"La multiplicité des types de blocs LEGO et des façons de les assembler donne lieu à une explosion combinatoire de différents matériaux de structures métallo-organiques possibles", explique-t-elle. "Vous pouvez vraiment contrôler la structure globale de la structure métallo-organique en choisissant la manière dont vous assemblez les différents composants.
À l'heure actuelle, la méthode la plus courante pour concevoir des MOF consiste à procéder par essais et erreurs. Plus récemment, les chercheurs ont commencé à essayer des approches informatiques pour concevoir ces matériaux. La plupart de ces études sont basées sur des prédictions de l'efficacité du matériau pour une application particulière, mais elles ne tiennent pas toujours compte de la stabilité du matériau résultant.
"Un très bon matériau MOF pour la catalyse ou le stockage de gaz aurait une structure très ouverte, mais une fois cette structure ouverte obtenue, il peut être très difficile de s'assurer que ce matériau est également stable à long terme", explique M. Kulik.
Dans une étude datant de 2021, Mme Kulik a présenté un nouveau modèle qu'elle a créé en consultant quelques milliers d'articles sur les MOF afin de trouver des données sur la température à laquelle un MOF donné se décompose et sur la capacité de certains MOF à résister aux conditions nécessaires à l'élimination des solvants utilisés pour les synthétiser. Elle a entraîné le modèle informatique à prédire ces deux caractéristiques - connues sous le nom de stabilité thermique et de stabilité d'activation - sur la base de la structure des molécules.
Dans la nouvelle étude, Kulik et ses étudiants ont utilisé ce modèle pour identifier environ 500 MOF à très haute stabilité. Ils ont ensuite décomposé ces MOF en leurs éléments constitutifs les plus courants : 120 unités de construction secondaires et 16 éléments de liaison.
En recombinant ces blocs de construction à l'aide d'environ 750 types d'architectures différents, dont beaucoup ne sont pas habituellement inclus dans de tels modèles, les chercheurs ont généré environ 50 000 nouvelles structures de MOF.
"L'une des particularités de notre série est que nous avons examiné des symétries cristallines beaucoup plus diverses que ce qui avait été fait auparavant, mais [nous l'avons fait] en utilisant ces blocs de construction qui provenaient uniquement de MOF très stables synthétisés de manière expérimentale", explique Kulik.
Ultrastabilité
Les chercheurs ont ensuite utilisé leurs modèles informatiques pour prédire la stabilité de chacune de ces 50 000 structures et en ont identifié environ 10 000 qu'ils ont jugées ultrastables, tant pour la stabilité thermique que pour la stabilité d'activation.
Ils ont également examiné les structures en fonction de leur "capacité de distribution", qui mesure la capacité d'un matériau à stocker et à libérer des gaz. Pour cette analyse, les chercheurs ont utilisé du méthane, car la capture du méthane pourrait être utile pour le retirer de l'atmosphère ou le convertir en méthanol. Ils ont constaté que les 10 000 matériaux ultrastables qu'ils ont identifiés avaient de bonnes capacités de libération du méthane et qu'ils étaient également mécaniquement stables, comme le montre leur module d'élasticité prédit.
"La conception d'un MOF nécessite la prise en compte de nombreux types de stabilité, mais nos modèles permettent de prédire à un coût proche de zéro la stabilité thermique et la stabilité d'activation", explique M. Nandy. "En comprenant également la stabilité mécanique de ces matériaux, nous fournissons un nouveau moyen d'identifier les matériaux prometteurs".
Les chercheurs ont également identifié certains éléments constitutifs qui tendent à produire des matériaux plus stables. L'une des unités de construction secondaires présentant la meilleure stabilité était une molécule contenant du gadolinium, un métal de terre rare. Une autre était une porphyrine contenant du cobalt - une grande molécule organique composée de quatre anneaux interconnectés.
Les étudiants du laboratoire de Kulik travaillent actuellement à la synthèse de certaines de ces structures MOF et les testent en laboratoire pour déterminer leur stabilité, leur capacité catalytique potentielle et leur capacité de séparation des gaz. Les chercheurs ont également mis leur base de données de matériaux ultrastables à la disposition des chercheurs désireux de les tester pour leurs propres applications scientifiques.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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