DDe nouveaux matériaux hybrides aux atouts multiples | #6

Les réseaux métallo-organiques, ou en anglais metal organic frameworks (MOFs), sont des solides hybrides (organique/inorganique) micro- ou méso-poreux ordonnés. Cette famille de solides cristallins développe une surface spécifique très élevée. Véritables tamis moléculaires, les MOFs sont utilisés dans divers domaines tels que l'environnement, l'énergie et la santé. Cette image a été réalisée au microscope électronique à balayage (MEB) avec un grossissement x 200. L'image est retraitée et colorisée avec des couleurs artificielles. UMR5253 Institut Charles Gerhardt Montpellier 20230109_0001

Ressource #6 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Fruit de l’association d’un métal et d’un ligand organique¹, les réseaux métallo-organiques disposent de propriétés inédites laissant entrevoir de futures applications dans les domaines de la santé, de l’environnement ou de l’énergie. Portant sur l’un de ces matériaux hybrides, les travaux de la chimiste Aude Demessence révèlent ses potentialités en matière de thermoélectricité et de stockage de données.

Les réseaux métallo-organiques, ou en anglais metal organic frameworks (MOFs), sont des solides hybrides (organique/inorganique) micro- ou méso-poreux ordonnés. © Bertrand REBIERE / ICGM / CNRS Images

En octobre dernier, le prix Nobel de chimie était conjointement accordé à Richard Robson, Susumu Kitagawa et Omar Yaghi. La prestigieuse récompense saluait les contributions pionnières de ces trois scientifiques dans le développement des tous premiers réseaux métallo-organiques (MOFs), des matériaux hybrides et poreux pouvant être assemblés comme des Lego®. S’inscrivant dans la lignée de ces travaux, les recherches que mène l’équipe d’Aude Demessence à l’Institut de recherches sur la catalyse et l’environnement de Lyon (Ircelyon)² se focalisent sur une famille spécifique de MOFs. Qualifiées de polymères³ de coordination, les structures auxquelles s’intéressent ces scientifiques associent un métal monétaire, tel que le cuivre, l’or ou l’argent, à une molécule organique. Un ligand à base de soufre fixé aux ions métalliques assure quant à lui la liaison avec le matériau organique. Tandis que les MOFs récompensés par le prix Nobel de chimie 2025 disposent d’une structure tridimensionnelle, les matériaux hybrides conçus par Aude Demessence présentent une architecture en une ou deux dimensions. « Les polymères de coordination que nous développons sont des matériaux anisotropes, c’est-à-dire qu’ils disposent de propriétés physiques qui varient selon leur orientation spatiale, souligne la chimiste des matériaux du CNRS. La configuration mono et bidimensionnelle limitant les directions dans lesquelles les électrons vont pouvoir se propager, la conductivité électrique du matériau s’en trouve ainsi renforcée. »

A gauche : structure d’un polymère de coordination monodimentionnel (1D MOF) et à droite : structure d’un polymère de coordination bidimentionnel (2D MOF). © Aude Demessence

Un câble électrique à l’échelle nanométrique

Ces polymères d’un genre nouveau se présentent sous la forme d’un « sandwich moléculaire » dans lequel le matériau organique constitué d’un assemblage d’atomes de carbone et de soufre est emprisonné entre deux couches d’une structure inorganique. Celle-ci a l’apparence d’un feuillet en deux dimensions au sein duquel alternent des chapelets d’atomes métalliques (cuivre, or ou argent) et des chapelets d’atomes de soufre. À travers cette nouvelle forme de matériaux hybrides, les scientifiques lyonnais cherchent à reproduire à l’échelle nanométrique les propriétés d’un câble électrique. « Si les matériaux inorganiques comme le cuivre sont réputés pour leur excellente conductivité électrique, ils présentent l’inconvénient de diffuser une trop grande quantité de chaleur, ce qui n’est pas sans poser des problèmes de déperdition d’énergie et d’échauffement, explique Aude Demessence. Le fait d’adjoindre une partie organique à ces matériaux vise donc à leur octroyer une faible conductivité thermique. » Outre une bonne conductivité électrique et une faible conductivité thermique, un polymère de coordination doit aussi disposer d’un coefficient de Seebeck élevé⁴ s’il veut prétendre à de futures applications thermoélectriques telles que la capacité de convertir la chaleur en électricité.

Polymères de coordination : des matériaux hybrides aux propriétés inédites © Emilie Josse

Record battu pour un polymère de coordination

L’un des polymères de coordination à base de cuivre mis au point par l’équipe d’Aude Demessence satisfait la plupart de ces conditions. Le matériau en question dispose en effet d’une faible conductivité thermique attestant de son pouvoir isolant. Son coefficient de Seebeck avoisine pour sa part les 420 μV/K, ce qui constitue un record pour un polymère de coordination. Si sa conductivité électrique reste encore très modeste⁵ pour pouvoir envisager dès à présent des développements dans le domaine de la thermoélectricité, plusieurs pistes sont déjà à l’étude pour tenter d’améliorer ce paramètre à l’aide de l’ingénierie moléculaire. « Cette approche va non seulement nous permettre de jouer sur la structuration et la dimensionnalité du polymère mais aussi de tester les effets bénéfiques d’autres ligands sur la conductivité électrique », précise la chimiste de l’Ircelyon. D’autres voies d’amélioration seront également explorées par les scientifiques comme le dopage résultant de l’insertion d’autres atomes métalliques ou la modification de la mise en forme du polymère dans la perspective de réduire la porosité entre ses différents constituants chimiques. Objectif de ces différents ajustements : faire en sorte que ce matériau hybride tende vers une conductivité électrique proche de celle des polymères de coordination les plus performants dans ce domaine⁵. Auquel cas, des applications allant de la conversion de la chaleur issue de cheminées d’usines en électricité à la fabrication d’une montre alimentée par la chaleur de la peau pourraient voir le jour dans les années à venir.

Insertion d’un échantillon de MOF au cours d’une expérience de diffraction des rayons X sur la ligne CRISTAL au synchrotron SOLEIL sur le site de l’université Paris-Saclay. De gauche à droite: Stéphane Pailhès, Erik Elkaïm et Chloé Andrade. © Aude Demessence

Vers un stockage de l’information plus vertueux

À la différence des matériaux inorganiques tels que le verre ou les céramiques, les polymères de coordination disposant d’une fraction organique se révèlent à la fois résistants et flexibles. Deux caractéristiques qui offrent la possibilité de contrôler facilement leur forme à l’échelle nanométrique⁶. Ces matériaux sont en outre capables de passer d’une phase cristalline – état actif équivalent au 1 du système informatique binaire⁷ – à une phase amorphe – état inactif assimilable au 0 – en réaction à une simple variation de température. Pour doter leur polymère de coordination à base de cuivre de cette capacité, les chimistes d’Ircelyon entendent une nouvelle fois recourir au design moléculaire. Visant à concevoir une nouvelle forme de mémoire informatique à très petite échelle, ces travaux entendent ainsi proposer une alternative plus vertueuse aux solutions reposant sur l’utilisation de chalcogénures⁸ « Alors que ces matériaux inorganiques nécessitent une augmentation de température de l’ordre de 600°C pour déclencher un changement de phase, une hausse de seulement 150°C suffit pour aboutir au même résultat avec notre polymère de coordination », indique Aude Demessence. Outre la perspective de réduire significativement la consommation d’énergie des futurs dispositifs de stockage de données de dimension nanométrique, ce MOF présente l’avantage d’être très peu toxique à la différence des chalcogénures. Deux qualités qui font de ce matériau hybride un sérieux candidat pour la conception de mémoires informatiques à la fois plus durables et performantes.

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – janvier 2026

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¹ Molécule intégrant au moins un atome de carbone lié à au moins un atome d’hydrogène qui vient se fixer à un métal pour lui octroyer une nouvelle propriété.

² Unité CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1

³ Substance composée de molécules caractérisées par la répétition, un grand nombre de fois, d’un ou de plusieurs atomes ou groupes d’atomes.

⁴ Le coefficient de Seebeck correspond à la tension générée par l’application d’un gradient de température. Ce paramètre qui se mesure le plus souvent en microvolts par kelvin (μV/K), reflète l’efficacité thermoélectrique d’un matériau, c’est-à-dire sa capacité à convertir de la chaleur en énergie électrique. Le coefficient de Seebeck d’un matériau est considéré comme élevé à partir de de 100 µV/K.

⁵ Mesurée en siemens par centimètre (S/cm), la conductivité électrique atteint 0,0015 S/cm pour ce matériau, ce qui reste très loin des 2000 S/cm obtenu en 2020 pour un autre polymère de coordination à base de cuivre développé par une équipe américaine.

⁶ Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre (10^-9 m), soit approximativement la distance entre deux atomes d’une même molécule.

⁷ Langage informatique dans lequel les données et instructions sont représentées par des combinaisons de uns et de zéros. Cela permet ainsi de stocker efficacement de grandes quantités de données tout en offrant un moyen simple de les traiter et de les analyser.

⁸ Famille de matériaux employés principalement dans le domaine de l’optique ayant la particularité d’être constitués d’éléments dits “chalcogènes” comme le tellure, le soufre, le sélénium ou l’arsenic.

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-MOTIC-AAPG2021. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2021 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 21).