Un verre qui filtre le dioxyde de carbone
Un groupe de recherche met au point un matériau en verre qui sépare les gaz avec précision
La séparation des molécules de dioxyde de carbone des mélanges gazeux nécessite des matériaux dotés de pores extrêmement fins. Des chercheurs de l'université Friedrich Schiller d'Iéna, en coopération avec l'université de Leipzig et l'université de Vienne, ont trouvé un nouveau moyen d'y parvenir : ils ont transformé des composés cristallins à structure organique métallique en verre. Ce faisant, ils sont parvenus à réduire la taille des pores du matériau au point de le rendre imperméable à certaines molécules de gaz. Ils publient leurs résultats dans la revue "Nature Materials".
Le verre hybride basé sur des réseaux métallo-organiques convient à la séparation des gaz.
Jens Meyer (University of Jena)
Cadres métallo-organiques comprimés
"En fait, ces matériaux semblables au verre étaient auparavant considérés comme non poreux", explique le Dr Alexander Knebel de l'Institut Otto Schott de l'Université d'Iéna, qui a dirigé ces travaux. Il précise : "Le matériau de départ, c'est-à-dire les composés à structure cristalline, présente des pores très clairement définis ainsi qu'une grande surface interne. C'est pourquoi ils sont également étudiés en tant que matériaux pour le stockage ou la séparation des gaz. Toutefois, cette structure définie est perdue lors de la fusion et de la compression. Nous en avons tiré parti".
"Les composés à structure métallo-organique sont constitués d'ions métalliques reliés entre eux par des molécules organiques rigides", décrit le chef du groupe de recherche junior pour expliquer le matériau. "Dans les espaces de ces grilles tridimensionnelles et régulières, les molécules de gaz peuvent se déplacer facilement. Pendant le traitement du verre, nous avons comprimé le matériau. En d'autres termes, nous avons pu comprimer les pores jusqu'à la taille souhaitée", explique-t-il.
Un désordre ordonné
Même si la structure globale du cristal disparaît lors de la fusion, certaines parties du cristal conservent leur structure. "En termes techniques, cela signifie que lors du passage du cristal au verre, l'ordre à longue portée du matériau est perdu, mais l'ordre à courte portée est préservé", explique M. Knebel. Oksana Smirnova, doctorante à l'université d'Iéna et auteur principal de l'étude, ajoute : "Lorsque nous faisons fondre et comprimons ce matériau, les interstices poreux changent également". Il en résulte des canaux avec des rétrécissements - ou même des culs-de-sac - et, par conséquent, certains gaz ne peuvent tout simplement plus passer.
Le groupe a ainsi obtenu des diamètres de pores de 0,27 à 0,32 nanomètre dans le matériau, avec une précision d'un centième de nanomètre. "À titre d'illustration : C'est environ dix mille fois plus fin qu'un cheveu humain et cent fois plus fin qu'une double hélice d'ADN. Avec cette taille de pore, nous avons pu séparer, par exemple, le dioxyde de carbone de l'éthane", explique M. Knebel. "Notre percée dans ce domaine est probablement due à la haute qualité des verres et à l'ajustement précis des canaux des pores", explique M. Knebel. "De plus, nos verres ont une taille de plusieurs centimètres", ajoute-t-il.
"L'un des objectifs de ce travail est de développer une membrane de verre pour des applications environnementales. En effet, la séparation du dioxyde de carbone des gaz est sans aucun doute l'un des plus grands défis technologiques de notre époque", explique M. Knebel. "C'est pourquoi je suis également reconnaissant du soutien apporté à ce travail par le programme Breakthroughs de la Fondation Carl Zeiss - et de l'engagement exceptionnel de ma doctorante Oksana Smirnova, qui a contribué de manière significative à la réussite de ce travail".
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.
Publication originale
Oksana Smirnova, Seungtaik Hwang, Roman Sajzew, Lingcong Ge, Aaron Reupert, Vahid Nozari, Samira Savani, Christian Chmelik, Michael R. Reithofer, Lothar Wondraczek, Jörg Kärger, Alexander Knebel; "Precise control over gas-transporting channels in zeolitic imidazolate framework glasses"; Nature Materials, 2023-12-20
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