Observer les matériaux énergétiques lors de leur formation
Les yeux rivés sur une transmission en direct depuis l'intérieur d'une cuve de réaction, les chercheurs observent les réactions chimiques à l'œuvre
Tourner un film en laboratoire nécessite un équipement spécial. Surtout lorsque les acteurs sont des molécules - invisibles à l'œil nu - qui réagissent entre elles. "Imaginez que vous essayiez de filmer de minuscules coulées de lave lors d'une éruption volcanique. L'appareil photo de votre smartphone ne serait pas à la hauteur. Il faudrait d'abord mettre au point une méthode spéciale pour rendre visible l'action que vous voulez filmer", explique Emiliano Cortés, professeur de physique expérimentale et de conversion de l'énergie à la LMU, également membre du pôle d'excellence e-conversion.
Mais l'effort en vaut la peine, surtout lorsque le produit de la réaction est un matériau énergétique prometteur : les cadres organiques covalents (COF). Encore assez jeune, cette classe de matériaux présente un grand potentiel d'applications dans la technologie des batteries et la fabrication d'hydrogène. Cependant, malgré 20 ans de recherches intensives, les scientifiques n'ont pas été en mesure d'élucider complètement ce qui se passe réellement lors de la synthèse des COF. C'est pourquoi les matériaux sont souvent développés par essais et erreurs.
Optimisation des processus de synthèse
Il en va de même pour les COF, où plusieurs composants moléculaires doivent trouver leur place au cours de la synthèse. Ce n'est qu'ensuite que la structure poreuse souhaitée se forme sur de grandes surfaces. "Découvrir pourquoi la synthèse ne fonctionne que dans certaines conditions et pas dans d'autres m'intrigue depuis que je suis en master. Notre approche dans ce projet consistait à utiliser les outils de la physique pour aider les chimistes dans leur travail. Nous voulions mieux comprendre les processus de synthèse complexes et les optimiser", explique Christoph Gruber, qui étudie ce sujet dans l'équipe de Cortés dans le cadre de sa thèse de doctorat. À cette fin, les deux scientifiques se sont tournés vers le groupe de recherche du professeur Dana Medina, chimiste à la LMU, spécialisé dans la synthèse des COF, afin d'établir une collaboration.
Pour le tournage du film avec les stars moléculaires, Gruber a utilisé un microscope spécial. Grâce à cet outil, l'équipe a pu suivre le mécanisme de formation des COFs au niveau nanométrique. Les chercheurs de la LMU ont récemment publié leurs résultats novateurs dans la revue Nature, accompagnés d'une vidéo montrant en temps réel les processus qui se déroulent pendant la synthèse.
L'ordre précoce est essentiel
La synthèse des structures moléculaires exige avant tout une chose : un contrôle précis de la réaction et de l'auto-assemblage des éléments moléculaires présents. "Ce n'est qu'avec ce contrôle qu'il est possible d'obtenir une structure hautement cristalline avec un ordre étendu et, en fin de compte, la fonctionnalité souhaitée", explique M. Medina. "Cependant, nos connaissances, en particulier sur les premières étapes de la nucléation et de la croissance, sont très lacunaires. Cela a empêché la mise au point de protocoles de synthèse efficaces. Nous avons donc été extrêmement intrigués par la visualisation de la réaction au fur et à mesure qu'elle se déroulait et nous nous sommes concentrés sur les premiers stades, lorsque les composants moléculaires mélangés commencent à réagir."
C'est précisément là que Gruber a commencé ses recherches, en choisissant ce qui semble à première vue être une méthode peu conventionnelle pour faire la lumière sur la scène initiale de la formation du COF : la microscopie iSCAT. L'abréviation signifie diffusion interférométrique et les biophysiciens utilisent souvent cette technologie pour étudier des phénomènes tels que l'interaction des protéines. "Le principe de mesure repose sur le fait que même les plus petites particules, composées de quelques molécules seulement, diffusent la lumière incidente. Si ces ondes lumineuses diffusées se chevauchent, nous obtenons des interférences - tout comme des vagues d'eau dans une piscine. En d'autres termes, nous obtenons des ondes plus grandes et plus petites en fonction de la façon dont les ondes se chevauchent. Nous enregistrons ces motifs lumineux à l'aide d'une caméra à haute résolution et, après traitement de l'image, nous obtenons des images qui révèlent, par exemple, des particules de COF à l'échelle nanométrique", explique M. Gruber. Et c'est là que le bât blesse : la méthode iSCAT permet de capturer des processus dynamiques et donc d'effectuer des mesures en temps réel. Les chercheurs peuvent ainsi observer la synthèse en direct, pour ainsi dire.
Les gouttelettes ont du talent
Immédiatement après le début de la réaction, les chercheurs ont été surpris d'observer la présence de minuscules structures dans le milieu réactionnel transparent. "Les images nous ont montré que les gouttelettes de taille nanométrique peuvent jouer un rôle essentiel dans la synthèse. Bien qu'elles soient extrêmement petites, elles contrôlent toute la cinétique au début de la réaction", explique M. Gruber. "On ne savait rien de leur existence jusqu'à présent, mais pour la formation des COF que nous avons étudiés, les nanogouttelettes se sont révélées extrêmement importantes. Si elles sont absentes, la réaction entière se produit trop rapidement et l'ordre souhaité est perdu."
Grâce à la méthode iSCAT, l'équipe du LMU a réussi à enregistrer un film montrant la formation des structures moléculaires depuis le début, avec une sensibilité de quelques nanomètres seulement. "Les techniques existantes ne permettaient pas de saisir en temps réel le début de la réaction, avec ces processus à l'échelle nanométrique et d'une durée de quelques millisecondes", explique M. Cortés. "Grâce à nos recherches, nous sommes parvenus à combler cette lacune dans nos connaissances. En même temps, nous obtenons une image globale des premières étapes de la réaction et de la formation progressive des COF".
Une synthèse économe en énergie
En outre, les chercheurs ont utilisé l'extrait de film et les analyses qui en découlent pour concevoir un concept de synthèse économe en énergie. "En nous appuyant sur nos résultats, nous avons découvert comment concevoir rationnellement les conditions de réaction", explique M. Medina. "En ajoutant du sel de table normal, par exemple, nous avons pu réduire massivement la température, de sorte que les structures moléculaires se forment à température ambiante plutôt qu'à 120 degrés Celsius.
Les chercheurs sont convaincus que leurs résultats transformeront notre façon d'envisager la synthèse de plus de 300 COF différents et pourraient donc faire progresser la production industrielle de COF. En outre, les résultats pourraient avoir des effets considérables sur la synthèse d'autres matériaux et sur des réactions chimiques qui n'ont pas encore été observées en temps réel. Les chercheurs de la LMU sont enthousiastes à l'idée de tourner de nouveaux films avec des molécules dans le rôle principal.
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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