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« Les matériaux dont la structure est poreuse sont technologiquement importants, explique le professeur Stuart James, de l'école de chimie et de génie chimique de la Queen’s University (Irlande du Nord). Jusqu'à récemment, les matériaux poreux étaient tous solides. Nous avons construit un nouveau genre de matériau poreux : un matériau liquide et poreux. »
Les solides poreux sont très utiles dans les processus de séparationséparation de molécules ou de catalysecatalyse. Les zéolitheszéolithes, par exemple, peuvent ainsi servir de tamis moléculaires. Une zéolithe est un cristal formé d'un squelette microporeuxmicroporeux. Les espaces vides qui truffent sa structure permettent de ne laisser passer que des molécules de certaines tailles et de certaines formes. De quoi, entre autres, nettoyer l'eau des particules radioactives après un accidentaccident nucléaire. Mais les solides poreux ont leurs limites. Ainsi, pour la capture de dioxyde de carbonedioxyde de carbone postcombustion, les solutions basées sur des solvantssolvants liquides, par exemple, sont beaucoup plus aisées à mettre en œuvre dans des processus industriels. D'où l'idée de chercher la solution ultime dans un matériau combinant des propriétés de porositéporosité et de fluidité.
Les chercheurs de la Queen’s University ont mis au point un liquide poreux, parsemé de cages moléculaires. Nombreuses, elles empêchent le solvant d'occuper tout l'espace et sont capables de capturer des molécules gazeuses (ici en rouge). © Queen’s University
Au cœur du liquide poreux, des cages moléculaires
Pour mettre au point ce liquide poreux, les chimistes de la Queen's University ont adopté une approche dite ascendante ou bottom-up. Ils ont élaboré le liquide en partant de cages moléculaires qui permettent de créer, au cœur du liquide, autant d'espaces vides. Rappelons que les cages moléculaires sont, comme leur nom l'indique, des molécules en forme de cage, comme les fullerènesfullerènes, par exemple, qui permettent habituellement d'encapsuler un atomeatome, un ionion ou une molécule. Ici, elles empêchent simplement le solvant, dont les molécules sont trop volumineuses, d'occuper la totalité de l'espace.
Cette nouvelle approche permet de concevoir un liquide dans lequel la concentration en cages moléculaires est jusqu'à 500 fois plus élevée que dans d'autres solutions moléculaires contenant des cavités. Ils ont ainsi pu améliorer de manière non négligeable les propriétés globales du liquide. « Nous avons constaté qu'il était capable de dissoudre une quantité inhabituelle de gazgaz », commente le professeur Stuart James. L'efficacité est en effet surprenante : pour le méthane, la solubilité a été multipliée par huit.
D'autres expérimentations devront encore être menées pour mieux comprendre le fonctionnement de ce tout nouveau genre de liquides. Mais les chimistes de la Queen's University assurent qu'ils aideront bientôt à améliorer différents processus chimiques industriellement importants. Et notamment la capture de dioxyde de carbone à la sortie des centrales de production d'électricité d'origine fossile afin de l'empêcher d'aller s'accumuler dans notre atmosphèreatmosphère.
