- Les MOFs détiennent un record mondial de surface interne allant jusqu’à environ 7 000 m^2 par gramme, avec des conceptions théoriques atteignant 14 600 m^2/g.
- En environ 20 ans, les chercheurs ont créé près de 90 000 structures uniques de MOF, avec des centaines de milliers d’autres prédites par la théorie.
- Les MOFs sont des réseaux cristallins poreux construits à partir de nœuds métalliques et de connecteurs organiques, formant un réseau 3D modulable qui agit comme une éponge moléculaire.
- CALF-20, un MOF à base de zinc, peut retenir environ une tonne de CO2 par jour et par mètre cube dans des conditions industrielles.
- ZnH-MFU-4l est un MOF révolutionnaire pour la capture de CO2 à haute température qui lie sélectivement le CO2 des gaz de combustion chauds à environ 300 °C, capturant plus de 90 % du CO2.
- DCF-1, lancé par Decarbontek à la mi-2025, est un MOF à faible coût fabriqué à partir d’oxyde de zinc et d’acide citrique, dont le coût prévu est d’environ 10 $ par kilogramme à grande échelle.
- Svante pilote un système de sorbant MOF CALF-20 dans une cimenterie capable de capturer environ 1 tonne de CO2 par jour.
- MOF-303, un MOF à base d’aluminium pour la récolte d’eau, a permis à un collecteur portatif dans la Vallée de la Mort en 2023 de récupérer environ 85–90 % de l’eau adsorbée, délivrant jusqu’à 285 grammes par kilogramme et par jour.
- Le projet européen MOST-H2, lancé en 2022, utilise l’IA pour cribler les MOFs pour le stockage de l’hydrogène ; en 2025, il a rapporté des progrès avec plus de 10 000 structures analysées et des prototypes atteignant les objectifs du DOE dans des conditions cryogéniques.
- MIL-101(Cr) peut voir ses pores élargis d’environ 2,5 nm à 5 nm via un traitement à l’acide acétique, permettant un chargement plus élevé d’ibuprofène et de 5-fluorouracile et une libération plus rapide.
Un changement de paradigme dans les matériaux avancés et la durabilité
Imaginez un matériau avec une telle surface interne qu’une pincée en contient l’équivalent de six terrains de football news.berkeley.edu. De tels metal-organic frameworks (MOFs) sont des composés poreux et cristallins constitués de nœuds métalliques reliés par des chaînons organiques, créant des réseaux semblables à des éponges à l’échelle moléculaire. Les scientifiques vantent les MOFs comme ayant des « possibilités apparemment illimitées » pour construire des structures sur mesure avec des propriétés adaptées cas.org. Au cours des 20 dernières années, la recherche sur les MOFs a explosé – près de 90 000 structures uniques de MOFs ont été créées (avec des centaines de milliers d’autres prédites en théorie) cas.org. Cet essor est motivé par la promesse que les MOFs peuvent relever des défis cruciaux en matière de durabilité et de technologie. De la capture du dioxyde de carbone responsable du réchauffement climatique et du stockage de l’hydrogène propre à l’administration de médicaments et à la récolte d’eau dans l’air du désert, les MOFs sont prêts à permettre des avancées majeures dans des domaines allant de l’énergie et l’environnement à la biomédecine cas.orgcas.org. Dans ce rapport, nous expliquons ce que sont les MOFs, comment ils fonctionnent et sont fabriqués, et pourquoi ils sont considérés comme révolutionnaires. Nous explorerons les principales applications – y compris la capture du carbone, le stockage de l’hydrogène, l’administration de médicaments, les capteurs et la récolte d’eau – en mettant en avant les récentes avancées scientifiques, les déploiements concrets et les analyses d’experts. En dressant un panorama mondial (États-Unis, UE, Chine et au-delà) et en présentant les dernières avancées, nous verrons pourquoi les MOFs sont considérés comme des matériaux révolutionnaires pour un avenir plus durable.
Que sont les MOFs ? Des cristaux poreux avec des surfaces record
Les cadres métalliques-organique (MOFs) sont une classe inhabituelle de matériaux construits comme des jeux de construction moléculaires. Ils se composent d’ions métalliques ou de clusters qui agissent comme des centres, reliés entre eux par des molécules organiques (ligands) servant de traverses. Ces composants s’auto-assemblent en un réseau cristallin ouvert, en forme de cage – formant essentiellement un réseau poreux 3D maintenu par des liaisons de coordination cas.org. Le résultat est une éponge cristalline : les MOFs possèdent une porosité et une surface interne extrêmement élevées, ce qui signifie que leur intérieur est rempli de minuscules cavités et canaux dans lesquels d’autres molécules peuvent pénétrer. En fait, les MOFs détiennent le record mondial de surface spécifique pour un matériau – certains offrent jusqu’à ~7 000 m^2 par gramme, avec des conceptions théoriques allant jusqu’à 14 600 m^2/g cas.org. Pour mettre cela en perspective, une simple cuillère à soupe d’un MOF typique peut avoir une surface interne équivalente à plusieurs terrains de football, offrant un espace abondant pour adsorber des gaz ou d’autres molécules news.berkeley.edu.
Cette vaste surface interne et cette structure de pores modulable sont ce qui rend les MOFs si spéciaux. En échangeant les nœuds métalliques ou les chaînons organiques, les chimistes peuvent créer différents MOFs avec des tailles, des formes et des fonctionnalités chimiques de pores sur mesure cas.org. Presque toutes les combinaisons sont possibles – un pionnier du domaine, le professeur Omar Yaghi (qui a synthétisé les premiers MOFs dans les années 1990), a noté que des dizaines de milliers de MOFs ont été fabriqués et que “des centaines de milliers d’autres” sont prédites par des algorithmes cas.org. Cette stratégie de conception modulaire “réticulaire” signifie que les scientifiques peuvent essentiellement concevoir des matériaux sur commande : par exemple, un MOF peut être conçu pour préférer capter les molécules de CO₂, ou pour émettre une lueur en présence d’une toxine, simplement en choisissant les bons éléments de base. Le revers de cette diversité est un défi – avec autant de structures possibles, il peut être difficile de prédire quel MOF fonctionnera le mieux pour une application donnée cas.org. (Les chercheurs utilisent de plus en plus l’IA et l’apprentissage automatique pour parcourir les bases de données de MOFs et suggérer les candidats les plus prometteurs, un point que nous aborderons plus loin cas.org.)
En résumé, un MOF est comme une éponge ultra-fine ou un échafaudage à l’échelle nanométrique. Il est composé d’éléments inorganiques et organiques verrouillés dans un réseau répétitif, ce qui donne un matériau solide constitué principalement d’espace vide. Ces pores vides peuvent accueillir des molécules invitées. Fait crucial, les MOF restent généralement robustes même après le retrait de leurs « invités » solvants initiaux – la structure vide reste intacte et poreuse, prête à adsorber de nouvelles molécules et à les libérer dans les bonnes conditions en.wikipedia.org. Cette absorption et libération réversible est essentielle pour des applications allant du stockage de gaz à la délivrance de médicaments. Comme l’explique le Dr Kurtis Carsch, chimiste à l’UC Berkeley : « Grâce à leurs structures uniques, les MOF possèdent une forte densité de sites où l’on peut capturer et relâcher le CO₂ dans des conditions appropriées » news.berkeley.edu – ou de même capturer et relâcher d’autres molécules. En somme, les MOF offrent une combinaison sans précédent de grande capacité (grâce à une surface énorme), de possibilité d’ajustement (par conception chimique) et de réversibilité, ce qui en fait une plateforme puissante en science des matériaux.
Comment les MOF sont-ils fabriqués et comment fonctionnent-ils ?
La synthèse d’un MOF est souvent plus simple que sa structure complexe ne le laisse penser. Typiquement, les scientifiques dissolvent une source métallique (comme un sel métallique) et une molécule de ligand organique dans un solvant, puis favorisent la formation de cristaux par mélange lent, chauffage ou évaporation. Les ions métalliques et les ligands se coordonnent et se cristallisent spontanément en un réseau ordonné – faisant croître un cristal de MOF un peu comme des cristaux de sucre précipitent d’une solution sucrée, mais à l’échelle moléculaire. Beaucoup de MOF sont fabriqués par des méthodes solvothermales (chauffage des ingrédients dans un récipient fermé), bien que de nouvelles techniques incluent la synthèse assistée par micro-ondes, le séchage par pulvérisation, et même le broyage mécanochimique sans solvant. Ce qui est remarquable, c’est que les MOF peuvent souvent s’auto-assembler dans des conditions relativement douces. Par exemple, un MOF de capture du carbone récemment mis au point, appelé DCF-1, est synthétisé simplement en mélangeant de l’oxyde de zinc avec de l’acide citrique dans l’eau – une « méthode sûre, durable et en attente de brevet » qui permet d’obtenir un MOF très performant à faible coût businesswire.com. Cela illustre comment les chercheurs améliorent les méthodes de production pour réduire les coûts et éviter les produits chimiques agressifs. Les cristaux de MOF peuvent aller de la taille nanométrique à millimétrique, et ils sont généralement transformés en poudres ou formés en pastilles et membranes pour un usage pratique.
Le fonctionnement des MOFs repose sur l’adsorption et la sélectivité. Leurs pores agissent comme de minuscules casiers de stockage ou pièges pour les molécules. Lorsqu’un MOF est exposé à un gaz ou un liquide, les molécules ciblées peuvent pénétrer dans les pores et adhérer aux surfaces internes (via les forces de van der Waals, des interactions chimiques à des sites spécifiques, etc.). Comme les MOFs possèdent une très grande surface intérieure et souvent des groupes chimiques qui lient certaines molécules, ils peuvent absorber des quantités étonnantes. Par exemple, un MOF (CALF-20, une structure à base de zinc) peut contenir environ une tonne de CO₂ par jour et par mètre cube de matériau dans des conditions industrielles businesswire.com – agissant essentiellement comme une gigantesque éponge pour le dioxyde de carbone. Pourtant, l’adsorption est généralement réversible : en changeant les conditions (chauffage du MOF, diminution de la pression, ou rinçage avec un autre gaz), les molécules piégées sont libérées (désorbées) et le MOF est régénéré pour un nouveau cycle news.berkeley.edu. Ce cycle de capture et de libération est crucial pour des applications comme la capture du carbone ou le stockage de gaz, où le MOF doit être réutilisé de nombreuses fois. Dans l’exemple de la capture du CO₂, une fois que le MOF est saturé en CO₂, « le CO₂ peut être retiré en abaissant sa pression partielle – soit en rinçant avec un autre gaz, soit en mettant sous vide. Le MOF est alors prêt à être réutilisé pour un nouveau cycle d’adsorption » news.berkeley.edu.
La chimie interne de chaque MOF peut être ajustée pour préférer certaines molécules à d’autres, ce qui les rend hautement sélectifs. Certains MOFs possèdent des sites métalliques ouverts ou des groupes fonctionnels dans leurs pores qui agissent comme des crochets pour des gaz spécifiques. D’autres sont décorés de molécules (comme des amines ou des sites de cuivre) qui réagissent avec une cible (comme le CO₂). Cette possibilité d’ajustement est un grand avantage – contrairement aux matériaux poreux traditionnels (par exemple le charbon actif ou les zéolithes) qui ont des propriétés fixes, les MOFs peuvent être conçus sur mesure. « Leurs propriétés ajustables sont le facteur clé, » note un rapport CAS Insights, « la grande surface spécifique et la porosité combinées à une chimie modulable donnent aux MOFs la capacité d’adsorber des gaz et des composés volatils, suscitant un immense intérêt pour la séparation et le stockage des gaz, en particulier pour le CO₂ » cas.org. En résumé, les MOFs fonctionnent en piégeant sélectivement des molécules dans leurs pores nanoscopiques – un peu comme un tamis ou un filtre fait de molécules – et ils peuvent ensuite relâcher la cargaison lorsqu’ils sont sollicités. Ce concept simple sous-tend la variété d’utilisations que nous allons aborder, du nettoyage du CO₂ dans les gaz d’échappement, au stockage plus dense de l’hydrogène comme carburant, en passant par le transport de molécules médicamenteuses dans la circulation sanguine.
Principales applications des MOFs
Les capacités uniques des MOFs, semblables à celles d’une éponge, les rendent utiles dans une gamme étonnamment large d’applications. Ci-dessous, nous explorons certaines des utilisations les plus marquantes en cours de développement aujourd’hui – ainsi que les percées récentes et des exemples dans chaque domaine.
Captage du carbone et atténuation du changement climatique
L’une des applications les plus urgentes des MOFs est la capture du dioxyde de carbone provenant des gaz de combustion des centrales électriques ou même directement de l’air. Réduire les émissions de CO₂ est essentiel pour lutter contre le changement climatique, et les MOFs apparaissent comme « parmi les matériaux les plus prometteurs pour le captage du carbone » car ils peuvent absorber le CO₂ avec une plus grande efficacité et à un coût énergétique inférieur aux méthodes conventionnelles ccarbon.info. La technologie traditionnelle de captage du carbone utilise des solutions d’amines liquides pour lier le CO₂, mais les amines sont corrosives, nécessitent beaucoup d’énergie pour être régénérées, et fonctionnent généralement uniquement à des températures relativement basses (environ 40–60 °C). Cependant, de nombreux gaz de combustion industriels sont beaucoup plus chauds (les rejets des cimenteries et aciéries peuvent dépasser 200–300 °C), ce qui rend le captage du carbone difficile et coûteux car les gaz doivent d’abord être refroidis news.berkeley.edu. Les MOFs offrent une avancée potentielle : ils peuvent être conçus pour capter le CO₂ même dans des conditions difficiles, puis le relâcher avec un chauffage ou des changements de pression modérés, en utilisant globalement beaucoup moins d’énergie que les épurateurs à amines ccarbon.info.
À la fin de 2024, des chimistes de l’UC Berkeley ont rapporté une avancée majeure concernant un MOF capable de capturer le CO₂ à partir de gaz de combustion chaud sans refroidissement préalable. Le matériau, connu sous le nom de ZnH-MFU-4l, contient des sites d’hydrure de zinc à l’intérieur de ses pores qui lient fortement le CO₂ à haute température. « Nous avons découvert qu’un MOF peut capturer le dioxyde de carbone à des températures exceptionnellement élevées – des températures pertinentes pour de nombreux procédés émetteurs de CO₂ », a déclaré le Dr Kurtis Carsch, co-premier auteur de l’étude. « C’était quelque chose que l’on ne pensait pas possible auparavant pour un matériau poreux. » news.berkeley.edu Dans des conditions d’échappement simulées, ce MOF a pu sélectionner et capter le CO₂ à environ 300 °C (typique des gaz de combustion du ciment/de l’acier) et capturer plus de 90 % du CO₂ du flux (« capture profonde du carbone »), rivalisant avec la performance des amines liquides news.berkeley.edu. Un fonctionnement à si haute température évite la nécessité de dépenser de l’énergie et de l’eau pour refroidir les émissions news.berkeley.edu, rendant potentiellement la capture du carbone réalisable pour des industries « difficiles à décarboner » comme l’acier et le ciment. « Parce que l’entropie favorise la présence de molécules comme le CO₂ en phase gazeuse de plus en plus avec l’augmentation de la température, on pensait généralement qu’il était impossible de capturer de telles molécules avec un solide poreux à des températures supérieures à 200 °C, » a noté le professeur Jeffrey Long, qui a dirigé la recherche. « Ce travail montre qu’avec la fonctionnalité appropriée… une capture à haute capacité du CO₂ peut effectivement être réalisée à 300 °C. » news.berkeley.edu Cette découverte ouvre une nouvelle voie de conception (utilisation de sites d’hydrure métallique dans les MOF) pour les matériaux de capture du carbone de prochaine génération news.berkeley.edu.Les MOFs brillent également dans des rôles plus conventionnels de capture du CO₂. L’intérêt des startups et des entreprises a grimpé en flèche : ExxonMobil a déposé des brevets sur des technologies MOF pour la capture du carbone cas.org, et des chercheurs de KAUST en Arabie Saoudite ont breveté des MOFs pour la capture du CO₂ et la séparation des gaz cas.org. De nombreuses startups se précipitent pour commercialiser des filtres à CO₂ à base de MOF. Par exemple, Nuada (une startup basée dans l’UE) explore des systèmes MOF pour aider les fabricants de ciment à piéger le CO₂ issu des gaz de combustion cas.org. Une autre entreprise, Mosaic Materials, a développé un MOF fonctionnalisé à l’amine pour la capture du CO₂, si prometteur qu’il a été acquis par la société technologique énergétique Baker Hughes en 2022 pour un passage à l’échelle news.berkeley.edu. Le MOF de Mosaic est testé dans des projets pilotes comme alternative aux amines liquides, et même pour la capture directe du CO₂ dans l’air news.berkeley.edu.Juste à la mi-2025, Decarbontek, Inc. a annoncé qu’elle produit commercialement un adsorbant MOF pour la capture du carbone. L’entreprise a lancé DCF-1 (De-Carbon Framework-1), le qualifiant de « une MOF révolutionnaire, peu coûteuse et haute performance conçue pour une capture du carbone à grande échelle », désormais disponible au kilogramme ccarbon.info. « Avec le lancement de DCF-1, nous établissons une nouvelle norme pour les matériaux de capture du carbone, » a déclaré le Dr Yong Ding, PDG de Decarbontek. « Il est économique, facile à fabriquer et très efficace – rendant la capture du carbone accessible à tous les secteurs. » businesswire.com Le DCF-1 peut être fabriqué à bas coût (en utilisant de l’oxyde de zinc courant et de l’acide citrique) et vise un prix d’environ 10 $ par kg à grande échelle, « comparable aux tamis moléculaires courants », selon Ding businesswire.com. C’est important car les MOF ont longtemps été considérés comme trop chers pour un usage massif ; un MOF peu coûteux et facile à produire pourrait lever un obstacle majeur à l’adoption ccarbon.info. Le matériau combinerait une forte capacité d’adsorption de CO₂ avec un procédé de fabrication non toxique à base d’eau, idéal pour équiper des usines existantes ou même extraire le CO₂ de l’air businesswire.com. Le produit de Decarbontek et d’autres similaires illustrent comment la technologie MOF passe du laboratoire au marché dans le domaine de la capture du carbone.Peut-être le signe le plus tangible de progrès se trouve dans les projets pilotes : Svante, une entreprise canadienne, utilise un adsorbant MOF (CALF-20, fabriqué par BASF) dans un système de démonstration qui capte environ 1 tonne de CO₂ par jour à partir des gaz de combustion d’une cimenterie businesswire.com. Ce test en conditions réelles montre que les MOF peuvent traiter des flux de gaz industriels et fonctionner effectivement sur le terrain. De tels développements suggèrent que les MOF pourraient bientôt jouer un rôle clé dans les efforts mondiaux de Captage, Utilisation et Stockage du Carbone (CCUS), aidant les industries à réduire leurs émissions de CO₂. Étant donné que le captage du carbone est essentiel pour atténuer le changement climatique (en particulier pour les secteurs qui ne peuvent pas facilement s’électrifier), les MOF sont largement considérés comme une percée de “matériau miracle” pour la décarbonation news.berkeley.edu, energiesmedia.com. En offrant une efficacité supérieure et des pénalités énergétiques moindres, le captage du carbone basé sur les MOF pourrait permettre une adoption plus large du CCUS – un pont important vers un avenir neutre en carbone pendant que les énergies renouvelables montent en puissance. En somme, les MOF fournissent une nouvelle boîte à outils puissante pour maîtriser le CO₂, des cheminées d’usines à l’air libre, ce qui explique pourquoi ce domaine d’application reste le centre d’intérêt le plus brûlant de la recherche et de la commercialisation des MOF.
Stockage de l’hydrogène et énergie propre
Si les MOF peuvent aider à éliminer le carbone de nos systèmes énergétiques actuels, ils sont également prêts à permettre des vecteurs d’énergie propre comme l’hydrogène à l’avenir. L’hydrogène (H₂) est un carburant zéro carbone prometteur (il brûle pour ne produire que de l’eau), mais le stocker efficacement est un défi majeur – H₂ est un gaz de très faible densité, et le comprimer ou le liquéfier est énergivore et nécessite des réservoirs lourds. Les MOF offrent un moyen de stocker l’hydrogène sous une forme compacte et sûre par adsorption. Essentiellement, le gaz hydrogène peut être chargé dans les pores d’un MOF à haute densité (surtout à basse température), comme des œufs dans une boîte à œufs, puis libéré au besoin. Le Département de l’Énergie des États-Unis et d’autres ont fixé des objectifs pour les matériaux de stockage de l’hydrogène (en pourcentage massique et en volume d’H₂ stocké), et certains MOF se sont approchés ou ont dépassé ces objectifs à des températures cryogéniques.
En Europe, un effort concerté est en cours pour exploiter les MOFs pour le stockage de l’hydrogène. Le projet MOST-H2 financé par l’UE (lancé en 2022) développe des systèmes de stockage cryo-adsorptif de l’hydrogène utilisant des MOFs avancés cordis.europa.eu. En cryo-adsorption, le gaz hydrogène est refroidi (généralement à la température de l’azote liquide, ~77 K) et adsorbé sur un matériau poreux, atteignant une haute densité sans pressions extrêmes. L’« arme secrète du projet est une classe spéciale de matériau cristallin poreux appelé MOF », qu’ils façonnent en adsorbants MOF monolithiques avec une combinaison optimale de capacité volumique et gravimétrique cordis.europa.eu. En 2025, les chercheurs de MOST-H2 ont rapporté « des progrès significatifs » – ils ont combiné un criblage piloté par l’IA avec des expériences pour identifier de nouveaux composés MOF qui dépassent les objectifs largement acceptés pour les capacités de stockage d’hydrogène gravimétrique et volumique cordis.europa.eu. Ces avancées ont été sécurisées par des dépôts de brevets cordis.europa.eu, soulignant leur nouveauté. En pratique, les prototypes MOF de l’équipe peuvent stocker l’hydrogène de façon dense dans des conditions cryogéniques, dans des matériaux faciles et sûrs à manipuler (pas de pressions extrêmement élevées) et ayant une « empreinte environnementale très faible » cordis.europa.eu. L’objectif final est d’intégrer ces MOFs dans une solution complète de stockage d’hydrogène « du laboratoire au réservoir » pour des applications comme les véhicules à hydrogène (le projet explore des études de cas pour des trains à hydrogène en Autriche et en Italie) cordis.europa.eu.Un aspect notable de cet effort est l’utilisation de l’apprentissage automatique pour accélérer la découverte. Le projet MOST-H2 a développé un outil d’IA pour prédire quelles structures de MOF seraient optimales pour l’absorption d’hydrogène, créant une « base de données robuste de matériaux très performants » et montrant comment les méthodes computationnelles peuvent transformer le développement des MOF cordis.europa.eu. En passant au crible plus de 10 000 structures de MOF virtuellement, puis en testant les meilleurs candidats en laboratoire, l’équipe a pu identifier plusieurs matériaux vedettes qu’elle a rapidement brevetés cordis.europa.eu. Cette approche réduit considérablement les essais-erreurs habituellement nécessaires en R&D des matériaux. En conséquence, les MOF du projet sont en bonne voie pour atteindre ou dépasser les objectifs stricts de stockage requis pour des réservoirs de carburant pratiques, tout en restant rentables et stables sur de nombreux cycles cordis.europa.eu. La conception du réservoir à base de MOF est également optimisée grâce à des modélisations avancées des transferts de chaleur et de masse et à une analyse du cycle de vie, afin de garantir qu’il puisse être mis à l’échelle et intégré dans de vrais véhicules cordis.europa.eu.Au-delà de ce projet, d’autres chercheurs ont démontré que les MOF sont capables d’une absorption remarquable d’hydrogène. Par exemple, MOF-74 (une structure bien connue) peut absorber plus d’hydrogène que n’importe quel réservoir non pressurisé à 77 K, ce qui montre le potentiel des MOF pour supprimer le goulot d’étranglement du stockage de l’hydrogène innovations-report.com. La stratégie générale consiste à fonctionner à des températures proches du cryogénique – ce qui peut sembler énergivore, mais des techniques comme une isolation intelligente ou l’utilisation du refroidissement « gratuit » issu de l’évaporation de l’hydrogène liquide peuvent rendre cela viable. Le bénéfice serait des réservoirs d’hydrogène légers et à grande capacité pour voitures, bus ou avions à pile à combustible, sans nécessiter de compression à 700 bars ni de réservoirs extrêmement lourds. De tels réservoirs pourraient être des « batteries à hydrogène à l’état solide », où des granulés de MOF retiennent l’hydrogène en toute sécurité à des pressions modérées. Les chercheurs explorent aussi les MOF pour le stockage d’hydrogène à température ambiante, bien qu’aucun matériau ne réponde encore à toutes les exigences du DOE dans des conditions ambiantes.
En somme, les MOFs sont à la pointe de la résolution du dilemme du stockage de l’hydrogène. Ils agissent comme des nano-éponges qui emballent densément les molécules d’hydrogène par adsorption, permettant à plus d’hydrogène de tenir dans un volume donné à une pression donnée. Les MOFs actuels associés au refroidissement cryogénique ont montré des capacités record – dépassant ce que l’hydrogène liquide peut atteindre par volume dans certains cas – ce qui pourrait permettre aux véhicules à hydrogène de parcourir de plus longues distances avec un plein et de se ravitailler plus rapidement. Avec l’intérêt mondial pour l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie propre (pour le transport, le stockage sur réseau et l’industrie), des avancées comme les réservoirs à base de MOF sont cruciales. Le fait que des brevets soient déposés et que des projets pluriannuels soient financés dans l’UE et ailleurs témoigne de la confiance dans le rôle clé que joueront les MOFs dans la l’économie de l’hydrogène. Comme l’a dit un rapport de l’UE, ces matériaux innovants promettent « des solutions de stockage de l’hydrogène bon marché, efficaces et respectueuses de l’environnement » pour les objectifs climatiques de l’Europe cordis.europa.eu – une déclaration qui trouve un écho mondial alors que les nations investissent dans l’infrastructure H₂.
Administration de médicaments et applications biomédicales
Les MOFs ne sont pas réservés à l’énergie et à l’environnement – ils font également sensation en biomédecine en tant que nouveaux systèmes d’administration de médicaments et agents d’imagerie. Dans le contexte pharmaceutique, les MOFs peuvent servir de vecteurs nanoscopiques pour des molécules thérapeutiques. L’idée est qu’un médicament (qui peut être une petite molécule, une protéine ou même un acide nucléique) peut être chargé dans les pores du MOF puis transporté dans le corps, protégé par la cage du MOF. La structure poreuse peut parfois protéger le médicament d’une dégradation prématurée, cibler sa libération à un endroit précis, ou permettre une libération lente et contrôlée dans le temps. Les MOFs peuvent même être conçus pour répondre à des stimuli (comme le pH ou la lumière) afin de déclencher la libération du médicament à la demande jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Il s’agit d’un domaine de recherche en plein essor en nanomédecine.
Un avantage des MOFs est leur grande capacité de chargement – en raison de leur énorme surface spécifique, ils peuvent transporter beaucoup de médicament par rapport à leur poids. De plus, de nombreux MOFs peuvent être fabriqués à partir de composants biocompatibles (par exemple, des nœuds de zinc ou de fer avec des acides organiques comestibles), ce qui signifie qu’ils peuvent se dégrader en sous-produits non toxiques dans le corps cas.org. En fait, certains MOFs sont biocompatibles et biodégradables, ce qui les rend attrayants pour une utilisation chez les organismes vivants cas.org. Les chercheurs ont inventé le terme « nano-MOFs » pour désigner de très petites particules de MOF (généralement de 50 à 200 nanomètres) conçues pour l’injection dans la circulation sanguine ou la délivrance cellulaire axial.acs.org. Plusieurs de ces nano-MOFs ont atteint le stade des essais cliniques pour la thérapie du cancer axial.acs.org – par exemple, comme vecteurs pour des médicaments de chimiothérapie ou pour améliorer le traitement par radiothérapie. Cela montre le véritable potentiel des MOFs comme plateforme en médecine.Une étude récente en 2024 a démontré comment une simple modification chimique peut améliorer la performance d’un MOF pour la délivrance de médicaments. Des scientifiques de l’Université de Miami ont pris un MOF bien connu appelé MIL-101(Cr) (une structure à base de chrome avec de grands pores) et l’ont effectivement « gonflé » par une étape de synthèse supplémentaire acs.org. Ils ont traité les cristaux de MOF avec un peu d’acide acétique (semblable au vinaigre) pour augmenter la taille des pores d’environ 2,5 nm à 5 nm, augmentant ainsi la surface interne acs.org. Ces particules de MOF « à pores élargis » ont ensuite été chargées avec deux médicaments modèles – ibuprofène (un anti-inflammatoire) et 5-fluorouracile (un médicament de chimiothérapie) – pour tester la capacité et la cinétique de libération. Les résultats étaient frappants : « Les MOF gonflés contenaient plus d’ibuprofène ou de médicament de chimiothérapie que la version originale et présentaient de meilleures performances en tant que véhicule potentiel de délivrance de médicaments. » acs.org Parce que les pores étaient plus grands, plus de molécules de médicament pouvaient tenir à l’intérieur, et en effet, le MOF modifié a absorbé une quantité plus élevée des deux médicaments que le MIL-101 non modifié acs.org. De plus, lors des expériences de libération, le MOF à pores élargis a libéré les médicaments beaucoup plus rapidement que l’original, en raison des ouvertures plus larges agissant comme de grandes « portes » pour la sortie des molécules acs.org. Une libération plus rapide pourrait être bénéfique pour atteindre rapidement des niveaux thérapeutiques, tandis qu’une libération lente et contrôlée pourrait être obtenue par d’autres modifications. Les chercheurs considèrent cette simple méthode de lavage acide comme un moyen de régler les profils de délivrance des MOF selon les besoins acs.org. Comme ils le notent, « de simples changements comme ceux-ci pourraient maximiser l’efficacité des MOF dans les futures applications de délivrance de médicaments », et des travaux en cours explorent comment obtenir une libération lente et soutenue sur des périodes spécifiques en adaptant la structure des pores acs.org.Voici la traduction en français du texte visible, en gardant chaque {{Tn}} inchangé :Ceci n’est qu’un exemple parmi tant d’autres. D’autres études ont montré que les MOFs peuvent transporter des combinaisons de médicaments, protéger des biomolécules délicates comme les protéines ou l’ARN, et même faciliter la délivrance ciblée vers les tumeurs (en attachant des ligands de ciblage au MOF). Comme il est possible de combiner différents centres métalliques, les chercheurs ont constaté que le choix du métal peut influencer les vitesses de libération – par exemple, une étude a montré que les MOFs à base de magnésium libéraient un médicament test plus rapidement que ceux à base de zirconium, ce qui suggère que des nœuds métalliques plus solubles entraînent une dégradation du cadre et une libération du médicament plus rapides axial.acs.org. De telles découvertes orientent la conception de MOFs pour une libération de médicament “à la demande” et la théranostique (thérapie + diagnostic). Notamment, les MOFs peuvent aussi servir d’agents de contraste ou de sondes d’imagerie ; certains intègrent des lanthanides luminescents ou des isotopes radioactifs pour le suivi, et d’autres améliorent les signaux IRM. Les propriétés luminescentes de certains MOFs ont même permis de créer des biosenseurs capables de détecter des biomarqueurs ou des toxines environnementales par un changement de fluorescence cas.org – brouillant la frontière entre la délivrance de médicaments et la détection.
Fait crucial, les premières études de sécurité indiquent que des MOFs correctement formulés peuvent être non toxiques et biodégradables dans l’organisme cas.org. Par exemple, les MOFs à base de fer ou de zinc avec des ligands de qualité alimentaire peuvent se décomposer en nutriments ou être excrétés. Cette biocompatibilité, associée à une grande capacité de chargement et une grande polyvalence, a conduit les experts à saluer les MOFs comme une “nouvelle classe prometteuse de transporteurs intelligents de médicaments” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Bien qu’aucun médicament à base de MOF n’ait encore atteint le marché, les essais cliniques en cours suggèrent que ce n’est qu’une question de temps. Dans un avenir proche, des nanoparticules de MOF pourraient délivrer la chimiothérapie plus directement aux cellules cancéreuses, réduisant les effets secondaires, ou agir comme des “nano-antidotes” qui absorbent les substances toxiques dans l’organisme. La dynamique de la recherche est forte – une revue a recensé des dizaines de systèmes de délivrance de médicaments à base de MOF pour le cancer, le VIH, le diabète, et plus encore en cours d’étude pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Si ces efforts aboutissent, les MOFs pourraient inaugurer une nouvelle ère de médecine de précision, où le traitement ne concerne pas seulement la molécule du médicament, mais aussi le véhicule intelligent qui la transporte.
Capteurs et détection
Grâce à leur chimie modulable et à leur luminescence souvent intrinsèque, les MOFs sont apparus comme des composants puissants dans les capteurs chimiques. Un infime changement dans la structure d’un MOF – par exemple, la fixation d’une molécule invitée ou le transfert d’un électron – peut se traduire par un signal optique ou électrique détectable. Cela fait des MOFs d’excellents outils pour détecter des composés traces dans l’environnement, les aliments, ou même dans le corps humain. Les chercheurs ont créé des capteurs à base de MOF pour une large gamme de cibles : ions de métaux lourds, explosifs (comme les vapeurs de TNT), gaz industriels dangereux, et biomarqueurs de maladies, pour n’en citer que quelques-uns sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Une approche populaire consiste à utiliser les MOFs luminescents (souvent appelés LMOFs). Ce sont des MOFs qui soit fluorescent ou phosphorescent naturellement, soit sont dopés avec des molécules/ions métalliques fluorescents. Lorsqu’un analyte cible pénètre dans les pores du MOF, il peut provoquer un changement de luminescence – par exemple en l’éteignant, en l’amplifiant, ou en modifiant sa couleur. Par exemple, certains MOFs contenant des métaux de lanthanides émettent un signal lumineux intense qui peut être éteint sélectivement par des produits chimiques spécifiques, permettant ainsi la détection de ces produits à de très faibles concentrations pubs.rsc.org. Il existe des MOFs qui agissent comme des capteurs “turn-on” pour des ions métalliques comme l’aluminium (ne brillant que lorsque l’ion se lie) pubs.acs.org, ou comme des capteurs changeant de couleur pour le pH ou l’oxygène. Parce que les MOFs ont une structure modulaire, les concepteurs de capteurs peuvent intégrer des sites de reconnaissance directement dans l’ossature. Imaginez un MOF doté de poches de fixation parfaitement dimensionnées pour une molécule polluante – lorsque le polluant est capturé, cela déclenche un transfert d’électron ou d’énergie qui fait diminuer ou changer la couleur de la fluorescence du MOF. Une telle spécificité est très recherchée en détection.
Un avantage clé des capteurs à base de MOF est qu’ils peuvent être hautement sensibles et sélectifs tout en restant stables. Les MOFs peuvent souvent fonctionner dans différents environnements (certains sont stables dans l’eau, pour la détection aquatique). Les chercheurs ont même développé des capteurs à base de MOF capables de détecter des biomarqueurs dans des fluides complexes comme l’urine ou le sang en filtrant et capturant la cible en une seule étape sciencedirect.com. Une autre voie prometteuse est celle des capteurs électrochimiques à base de MOF : des MOFs conducteurs ou des composites peuvent générer une réponse de courant électrique lorsqu’un gaz ou une vapeur est adsorbé, agissant comme une nouvelle sorte de “nez électronique” orcasia.org.
Il est important de noter que de nombreux MOFs sont fabriqués à partir de composants relativement bénins, ce qui rend leur utilisation dans des capteurs destinés aux consommateurs ou au biomédical envisageable. Un analyste de CAS a noté que les MOFs peuvent être excellents comme biosenseurs car certains sont « faible toxicité et biodégradables », en particulier ceux utilisés dans la détection basée sur la luminescence cas.org. Cela signifie qu’une sonde recouverte de MOF pourrait un jour être utilisée in vivo (à l’intérieur du corps) pour surveiller des conditions, ou que des particules de MOF pourraient faire partie d’un test diagnostique qui se dissout en toute sécurité après utilisation. Déjà, des capteurs à base de MOF ont été testés pour des applications telles que les métaux lourds toxiques dans l’eau (avec le MOF qui émet une fluorescence en présence de mercure ou de plomb) pubs.acs.org, les contaminants alimentaires (pesticides ou antibiotiques qui provoquent un changement d’émission du MOF) sciencedirect.com, et même comme capteurs portables pour l’analyse de l’haleine.
Un exemple en développement est un réseau de capteurs à base de MOF pour la détection d’explosifs et d’agents de guerre chimique. En utilisant plusieurs MOFs, chacun ajusté pour répondre à différentes formes chimiques, un réseau peut produire une empreinte unique pour une substance donnée (similaire à la façon dont notre nez différencie les odeurs). Un autre exemple : des chercheurs ont créé un capteur MOF luminescent capable de signaler rapidement les aliments avariés en détectant les vapeurs d’amine issues de la dégradation de la viande, fournissant un changement de couleur comme indicateur sciencedirect.com. Ces solutions créatives montrent comment les MOFs peuvent contribuer à la santé publique et à la sécurité.
En résumé, les MOFs apportent une grande sensibilité, une adaptabilité et une stabilité à la technologie des capteurs. Ils peuvent détecter des molécules à des niveaux de l’ordre de la partie par milliard dans certains cas, et leur réponse peut être conçue pour être facilement lisible (un changement de couleur visible à l’œil nu, ou une variation de courant/tension pour une lecture électronique). À mesure que les normes de surveillance environnementale et de sécurité alimentaire deviennent plus strictes, les capteurs MOF pourraient trouver une utilisation généralisée grâce à leur combinaison de précision et de praticité. Le fait que les MOFs puissent être transformés en films minces ou en poudres pour recouvrir des dispositifs signifie que leur intégration dans le matériel de capteurs est tout à fait réalisable. Des entreprises et des laboratoires de recherche du monde entier déposent activement des brevets sur des conceptions de capteurs MOF cas.orgcas.org, ce qui indique que nous pourrions bientôt voir des produits commerciaux de capteurs exploitant la technologie MOF – des capteurs intelligents pour la cuisine qui détectent la détérioration, aux détecteurs portatifs pour la qualité de l’air et les menaces à la sécurité. C’est un domaine dynamique où la chimie et l’ingénierie se rencontrent, et les MOFs sont à la pointe pour rendre notre monde plus détectable et mesurable dans les moindres détails.
Récupération de l’eau et technologies pour l’eau propre
Peut-être l’une des applications des MOF qui semble la plus futuriste – et pourtant déjà démontrée dans la vie réelle – est d’extraire de l’eau potable de l’air. La récolte d’eau atmosphérique est une technologie qui vise à extraire l’humidité de l’air (même dans des climats désertiques arides) pour fournir de l’eau douce. Les déshumidificateurs traditionnels ou les filets à brouillard nécessitent un air relativement humide ou beaucoup d’énergie. Mais les MOF ont montré la capacité de capturer l’eau d’un air extrêmement sec (jusqu’à 10–20 % d’humidité relative) puis de la libérer avec un apport énergétique minimal, ce qui les rend idéaux pour des générateurs d’eau autonomes dans les régions frappées par la sécheresse.
Le concept a été lancé par le professeur Omar Yaghi (l’inventeur des MOF) et ses collègues. En 2017, ils ont rapporté pour la première fois un MOF (MOF-801) capable de récolter de l’eau de l’air du désert en utilisant uniquement l’énergie solaire. Avançons jusqu’en 2023, et la technologie a fait un bond en avant. Des chercheurs de l’UC Berkeley ont dévoilé un dispositif portatif de récolte d’eau utilisant des MOF, testé dans la Vallée de la Mort – l’un des endroits les plus secs et les plus chauds de la planète. L’appareil, de la taille d’un petit sac à dos et alimenté entièrement par la lumière du soleil ambiante, a fonctionné en cycles répétés pour capturer l’eau la nuit et la libérer sous forme liquide le jour. « Ces tests ont montré que l’appareil pouvait fournir de l’eau propre partout », a rapporté l’équipe, le qualifiant de solution urgente alors que « le changement climatique aggrave les conditions de sécheresse. » cdss.berkeley.edu Le dispositif à base de MOF a pu extraire l’humidité de l’air avec seulement 10 % d’humidité et produire jusqu’à 285 grammes d’eau par kilogramme de MOF par jour sur le terrain cdss.berkeley.edu. (~285 g correspond à peu près à un verre d’eau ; les tests en laboratoire dans des conditions idéales donnent encore plus.) De façon impressionnante, il l’a fait en utilisant aucune énergie externe autre que la lumière du soleil, ce qui signifie zéro émission de gaz à effet de serre ou besoin d’électricité cdss.berkeley.edu. Cela est possible car le MOF adsorbe d’abord la vapeur d’eau de l’air frais de la nuit ; puis le soleil du jour chauffe le MOF, le faisant libérer la vapeur d’eau qui est condensée en liquide dans un collecteur. Le MOF peut fonctionner pendant de nombreux cycles sans perte de performance et peut être régénéré simplement en le séchant, ce qui en fait une éponge à eau robuste pour une utilisation à long terme cdss.berkeley.edu.
Le MOF utilisé dans le dernier dispositif est une structure à base d’aluminium (appelée MOF-303) qui a une forte affinité pour l’eau mais la relâche également à des températures modérées (~80 °C). Ce MOF a été choisi pour ses performances exceptionnelles : il peut collecter de l’eau même dans des conditions extrêmement arides et reste stable sur des milliers de cycles businesswire.com. En fait, le MOF-303 a été testé avec succès dans la Vallée de la Mort, validant son utilisation pratique dans des environnements extrêmes businesswire.com. Lors des tests, le dispositif a atteint une récupération d’environ 85–90 % de l’eau adsorbée à chaque cycle cdss.berkeley.edu, ce qui signifie que très peu d’humidité capturée était perdue. Le Dr Yaghi, qui a dirigé l’étude publiée dans Nature Water (juillet 2023), a souligné les enjeux : « Près d’un tiers de la population mondiale vit dans des régions en stress hydrique. L’ONU prévoit qu’en 2050, près de 5 milliards de personnes connaîtront le stress hydrique… Cela est tout à fait pertinent pour exploiter une nouvelle source d’eau. » cdss.berkeley.edu En puisant dans le vaste réservoir d’eau présent dans l’atmosphère (même les déserts contiennent un peu d’humidité dans l’air), les dispositifs à MOF offrent une nouvelle source d’eau prometteuse, décentralisée et durable. Contrairement aux grandes usines de dessalement (qui nécessitent de l’électricité et de l’eau de mer), un collecteur à MOF peut être un appareil individuel ou à l’échelle d’un village qui fonctionne partout où il y a de l’air et du soleil.
Des efforts commerciaux sont désormais en cours pour développer à grande échelle les récupérateurs d’eau à base de MOF. Plusieurs startups, souvent en collaboration avec des universités, font progresser la technologie. Selon un rapport de marché récent, des entreprises telles que Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule et Transaera exploitent les propriétés supérieures d’adsorption d’eau des MOF pour construire des systèmes de refroidissement et d’eau de nouvelle génération businesswire.com. Ces systèmes pourraient générer jusqu’à 0,7 litre d’eau par kilogramme de MOF et par jour même dans des conditions arides businesswire.com – soit environ le double du rendement des premiers prototypes – grâce à des matériaux et des conceptions améliorés. Transaera, par exemple, intègre des MOF dans des climatiseurs ultra-efficaces qui non seulement rafraîchissent l’air mais collectent aussi de l’eau en bonus (Transaera a été finaliste du Global Cooling Prize). Un autre projet, mené par AQUAml (associé au MIT), utilise les MOF pour des bouteilles d’eau personnelles qui se remplissent à partir de l’humidité de l’air. Le fait que les MOF fonctionnent à faible humidité signifie aussi qu’ils peuvent être utilisés pour la déshumidification passive dans les systèmes CVC, rendant le refroidissement plus efficace en asséchant l’air sans serpentins de condensation cas.org.
Le récupérateur d’eau à base de MOF est un excellent exemple de la façon dont ces matériaux peuvent répondre à des besoins humanitaires et à l’adaptation au climat. Dans les zones où les sources d’eau sont contaminées, les dispositifs à MOF pourraient fournir de l’eau potable avec une infrastructure minimale. Ils sont également modulaires – on peut déployer des centaines d’unités MOF pour soutenir une communauté, ou une seule unité pour une famille. Les chercheurs imaginent même des bouteilles d’eau auto-remplissantes pour les randonneurs et des générateurs d’eau pour les troupes sur le terrain, tous alimentés par des MOF et l’énergie solaire. Bien que le coût et la montée en échelle de la production soient les prochains défis, les progrès réalisés sont extrêmement prometteurs. Comme le disait un article, les MOF permettant des dispositifs d’extraction d’eau de l’air donnent l’impression d’une « chimie à la limite de la magie », transformant quelque chose d’aussi insaisissable que l’air en l’une des ressources les plus essentielles à la vie. Avec le changement climatique rendant les sécheresses plus fréquentes, de telles technologies pourraient être des éléments déterminants pour la sécurité de l’eau et une application inspirante des matériaux avancés au service du bien social.
Autres usages émergents (catalyse, batteries, et plus encore)
Au-delà des applications phares mentionnées ci-dessus, les MOFs démontrent leur polyvalence dans de nombreux autres domaines. Leur grande surface spécifique, leur capacité de personnalisation et leur aptitude à incorporer des métaux actifs ou des groupes fonctionnels en font des matériaux idéaux pour la catalyse – accélérant les réactions chimiques. Les MOFs peuvent servir de catalyseurs eux-mêmes ou de précurseurs à des matériaux catalytiques. Par exemple, des MOFs avec des sites métalliques ouverts ont été utilisés pour catalyser la conversion du CO₂ en carburants, et des matériaux dérivés de MOFs (comme des structures carbonées conservant le métal d’un MOF) ont montré d’excellentes performances en électrocatalyse (par exemple pour la réduction de l’oxygène dans les piles à combustible) cas.org. Une étude a révélé que des nanotubes de carbone dopés à l’azote issus d’un MOF présentaient une « activité électrocatalytique et stabilité améliorées » pour l’électrolyse de l’eau par rapport aux catalyseurs standards cas.org. La possibilité de concevoir la structure atomique d’un catalyseur via les MOFs (parfois appelée « nano-moulage ») est très attrayante en chimie verte et pour les procédés industriels.Les MOFs sont également explorés dans les dispositifs de stockage d’énergie. Les chercheurs testent les MOFs comme matériaux d’électrode dans les batteries lithium-ion, où la structure poreuse peut accueillir les ions lithium et potentiellement améliorer la capacité ou la vitesse de charge cas.org. Certains MOFs (ou leurs dérivés) ont été étudiés comme matériaux de supercondensateurs pour un stockage d’énergie rapide cas.org. Bien que la plupart des MOFs soient isolants, une nouvelle sous-classe de MOFs conducteurs a émergé, capable de transporter des électrons et pouvant être utilisée dans l’électronique ou les capteurs. Il existe même des MOFs présentant des propriétés magnétiques ou ferroélectriques intrinsèques, étudiés pour des dispositifs fonctionnels avancés.
Un autre domaine d’innovation des MOFs est la séparation et purification des gaz dans l’industrie chimique. Nous avons évoqué la capture du carbone, mais les MOFs peuvent aussi cibler d’autres séparations complexes – par exemple, l’isolement du propylène du propane (une étape cruciale dans la fabrication des plastiques) ou la purification du gaz naturel des impuretés. Des entreprises comme UniSieve ont développé des membranes à base de MOFs qui agissent comme des tamis moléculaires, permettant des séparations économes en énergie. Dans un cas, une membrane MOF a pu séparer le propylène à 99,5 % de pureté du propane businesswire.com, offrant une alternative potentielle à faible consommation d’énergie à la distillation (qui consomme normalement énormément d’énergie pour de telles séparations). De même, des filtres MOF sont à l’étude pour le recyclage des réfrigérants, la purification des solvants industriels, et même la dépollution des déchets nucléaires (piégeant l’iode ou le xénon radioactif).
Dans le domaine de l’électronique et des capteurs, les chercheurs ont fabriqué des couches minces à base de MOF qui sont sélectives pour certains gaz, potentiellement pour créer de nouveaux types de capteurs de gaz ou même des membranes pour piles à combustible. La remédiation environnementale est un autre créneau – les MOF peuvent capturer des polluants comme les PFAS (« polluants éternels ») de l’eau grâce à leur adsorption modulable, et certains MOF photocatalytiques peuvent dégrader des polluants organiques sous l’effet de la lumière.Enfin, les MOF présentent des usages ludiques mais intrigants : que diriez-vous de tissus MOF qui absorbent les odeurs ou les agents chimiques (pour des vêtements de protection) ? Ou de revêtements MOF dans les réfrigérateurs pour absorber l’éthylène et garder les aliments frais plus longtemps ? Toutes ces idées sont en cours de test. En résumé, les MOF représentent un matériau plateforme : tout comme les polymères ou le silicium ont trouvé d’innombrables applications, les MOF sont un couteau suisse dans le monde des matériaux. Comme l’a dit une analyse de marché, « Les propriétés exceptionnelles des MOF – notamment des surfaces record, des pores modulables et une chimie personnalisable – permettent d’apporter des solutions à certains des défis les plus pressants de la société. » businesswire.com De l’air et de l’eau propres à l’énergie propre et à la santé, les MOF sont présents dans une large gamme d’innovations.
Panorama mondial : recherche, brevets et commercialisation à l’échelle internationale
L’enthousiasme autour des MOFs est véritablement mondial. Après les premières avancées aux États-Unis (travaux du professeur Yaghi à UC Berkeley et UCLA) et au Japon (découvertes indépendantes du professeur Susumu Kitagawa à Kyoto), la recherche s’est rapidement répandue en Amérique du Nord, en Europe, en Asie et au-delà. Les États-Unis restent une puissance de l’innovation dans le domaine des MOFs, avec des universités de premier plan (Berkeley, MIT, Northwestern, etc.), des laboratoires nationaux et des entreprises qui repoussent les frontières. Plusieurs startups américaines, souvent issues de laboratoires universitaires, commercialisent les MOFs : NuMat Technologies (Illinois) se concentre sur le stockage des gaz et a même vendu des bouteilles de gaz équipées de MOFs (l’ION-X) qui stockent des gaz toxiques pour l’industrie des semi-conducteurs de manière plus sûre, à une pression sub-atmosphérique businesswire.com. NuMat annonce également une capacité de production d’environ 300 tonnes/an de MOFs dans ses installations businesswire.com. Mosaic Materials en Californie (mentionnée précédemment pour la capture du CO₂) et Transaera (Massachusetts, pour le refroidissement) sont d’autres entreprises américaines notables. Le géant industriel BASF en Allemagne a été l’un des premiers à investir massivement dans les MOFs ; il a augmenté la production de MOFs dans les années 2010 (produisant un MOF à base de cuivre en quantités de plusieurs tonnes) et dispose désormais d’une capacité annuelle de plusieurs centaines de tonnes à Ludwigshafen businesswire.com. Le MOF de BASF (vendu sous le nom Basolite) est même utilisé dans certains produits commerciaux, comme le verre isolant haut de gamme à haute efficacité énergétique et les filtres chimiques. L’Europe dispose d’un solide réseau académique sur les MOFs (par exemple, l’UE organise des conférences comme EuroMOF), et l’Union européenne a financé des projets tels que MOST-H2 (stockage de l’hydrogène) et AMADEUS (stockage de l’ammoniac avec des MOFs) pour accélérer la recherche appliquée.
La Chine s’est imposée comme un contributeur prolifique à la science des MOF au cours de la dernière décennie. En fait, selon les indicateurs de publication, les chercheurs chinois représentent une grande partie des nouveaux articles et brevets sur les MOF – dans des domaines allant de la capture du carbone à la délivrance de médicaments. Une étude bibliométrique a noté que « La Chine a apporté des contributions significatives et occupe une position de leader dans les MOF pour la recherche sur le cancer » pmc.ncbi.nlm.nih.gov, pour ne citer qu’un exemple. D’importantes institutions chinoises comme l’Université de Jilin, l’Université de Nankai et l’Académie chinoise des sciences disposent de centres dédiés aux MOF explorant tout, des batteries à base de MOF aux catalyseurs de conversion du CO₂ en carburant. L’objectif du gouvernement chinois d’atteindre la neutralité carbone d’ici 2060 a stimulé l’intérêt pour les MOF dans les technologies de décarbonation. Bien que la Chine ne compte peut-être pas encore autant de startups MOF connues mondialement, elle bénéficie d’une forte collaboration industrie-université. Notamment, la Chine est en tête dans le domaine du stockage de méthane basé sur les MOF pour les véhicules (un domaine où des réservoirs remplis d’adsorbant pourraient permettre aux véhicules au gaz naturel de contenir plus de carburant à une pression plus basse) et elle mène des recherches sur les MOF pour la capture des émissions industrielles dans le cadre de ses programmes nationaux CCUS.
D’autres régions sont également actives : le Japon continue de contribuer (avec des recherches de pionniers comme Kitagawa et des travaux plus récents sur les MOF conducteurs), la Corée du Sud compte des entreprises comme framergy (qui collabore avec des groupes internationaux pour commercialiser les MOF), et l’Australie abrite le ARC Centre of Excellence in Exciton Science qui étudie les MOF pour la détection et la photocatalyse. Au Moyen-Orient, KAUST d’Arabie Saoudite est un centre de recherche sur les MOF (ils ont déposé des brevets sur la capture du carbone par MOF comme mentionné) cas.org, et des pays comme les Émirats arabes unis et le Qatar s’intéressent aux MOF pour le dessalement de l’eau et la séparation des gaz, en adéquation avec leurs besoins.
Il est important de noter que le développement des MOF n’est plus limité au laboratoire. Les brevets et les produits commerciaux sont en hausse. Une analyse réalisée par Chemical Abstracts Service fin 2024 a souligné que, bien que les publications sur les MOF aient explosé, « la croissance des publications de brevets suggère qu’une commercialisation plus large de cette technologie est imminente. » cas.org En particulier, CAS a observé une activité significative de dépôts de brevets dans les applications liées à la décarbonation (captage du carbone, énergie, stockage de gaz) ainsi que dans des domaines comme l’eau propre et les capteurs cas.org. Cela indique que les entreprises et les instituts protègent les innovations à base de MOF alors qu’ils se préparent à leur déploiement dans le monde réel. En 2024, seuls quelques produits utilisant des MOF étaient entièrement commercialisés businesswire.com – des exemples incluent les filtres à CO₂ de Svante, les conteneurs à gaz de NuMat, certains dispositifs de purification d’air de niche, et une gamme de sachets de contrôle de l’humidité à base de MOF. Mais il semble que nous soyons à un point de bascule. « Le marché mondial des MOF connaît actuellement une transition critique de la recherche académique à l’application industrielle, » note un rapport de ResearchAndMarkets, qui prévoit une croissance annuelle du secteur d’environ 30 % à partir de maintenant businesswire.com. D’ici 2035, les applications des MOF pourraient représenter un marché de plusieurs milliards de dollars, notamment grâce au captage du carbone, au stockage de l’hydrogène, à la collecte d’eau et aux séparations chimiques businesswire.com.
Le secteur de la fabrication prend également de l’ampleur : environ 50 entreprises dans le monde produisent désormais des MOFs, bien que la majeure partie de la capacité soit concentrée chez quelques acteurs (comme BASF et NuMat) businesswire.com. Les défis auxquels ils sont confrontés incluent le passage de la production de quelques grammes en laboratoire à des tonnes industrielles tout en maintenant la qualité, et ce, de manière rentable businesswire.com. De manière encourageante, des progrès sont réalisés – les coûts diminuent à mesure que les techniques s’améliorent, et des entreprises ont développé des méthodes de production en continu (par opposition à la synthèse par lots lente) pour fabriquer des MOFs en plus grandes quantités businesswire.com. Par exemple, Promethean Particles au Royaume-Uni utilise un réacteur à flux continu pour produire des MOFs et d’autres nanomatériaux, et novoMOF en Suisse propose la fabrication de MOFs à façon à grande échelle. Ces développements laissent entendre que si une forte demande (par exemple, des milliers de tonnes pour des unités de capture du carbone) se matérialise, l’offre sera prête à y répondre.
La collaboration internationale est également évidente : des scientifiques de différents pays cosignent fréquemment des articles sur les MOFs, et il existe des conférences mondiales (par exemple MOF2023 à Melbourne, MOF2024 à Vancouver) qui rassemblent la communauté. Cela aide à diffuser les meilleures pratiques et à éviter les efforts dupliqués, compte tenu de l’immense espace chimique des MOFs.
Perspectives : Pourquoi les MOFs comptent pour un avenir durable
Comme nous l’avons vu, les MOF se situent à l’intersection de la science des matériaux avancés et de la résolution de problèmes concrets. Ils sont souvent présentés comme un « game-changer » pour la durabilité, car ils permettent des procédés auparavant irréalisables ou inefficaces. La capture du carbone en est un exemple phare : en rendant moins énergivore l’élimination du CO₂, les MOF pourraient permettre un déploiement plus large de la capture du carbone dans les centrales électriques et les usines, réduisant ainsi significativement les émissions de gaz à effet de serre. Le stockage d’énergie propre en est un autre : les MOF pourraient enfin rendre l’hydrogène (et peut-être d’autres gaz comme le méthane) utilisable comme carburant propre en résolvant le problème du stockage. Dans le domaine de l’eau propre, les MOF créent littéralement de l’eau à partir de l’air ou purifient l’eau à moindre coût, répondant à la rareté et à la contamination sans nécessiter de grandes infrastructures. Dans le secteur de la santé, les MOF offrent l’espoir d’une administration ciblée de médicaments et de diagnostics sensibles, pouvant potentiellement sauver des vies grâce à des thérapies plus intelligentes. Et dans toute la chimie industrielle, les MOF proposent des procédés de séparation et de catalyse plus économes en énergie, ce qui pourrait réduire l’empreinte carbone de la production de produits chimiques du quotidien.
Il est rare qu’une seule classe de matériaux ait un impact sur autant de secteurs – c’est pourquoi les MOF sont souvent comparés au « prochain silicium » ou au « prochain plastique » en termes de potentiel de transformation. Ils représentent une nouvelle façon de concevoir des matériaux à partir de la base avec précision (ce qui leur vaut d’être comparés à des LEGO ou Tinkertoys à l’échelle moléculaire). Cette approche de conception réticulaire était principalement théorique il y a quelques décennies ; elle constitue aujourd’hui une boîte à outils pratique adoptée par les chimistes et ingénieurs du monde entier.
Les experts estiment que nous sommes à l’aube de voir les MOF passer de curiosités de laboratoire à matériaux de travail omniprésents intégrés dans diverses technologies. « Avec toutes leurs applications potentielles, les MOF sont à l’origine de percées majeures dans certains de nos domaines scientifiques les plus complexes », a écrit un analyste de l’ACS, ajoutant que les progrès de l’IA et de l’apprentissage automatique accélèrent le criblage des MOF, « ce qui signifie que de nouvelles avancées et des usages commerciaux pourraient être proches. » cas.org Le délai d’arrivée des MOF sur le marché se raccourcit déjà : alors que le premier MOF a été synthétisé en 1995, il a fallu attendre les années 2020 pour voir apparaître les premières applications commerciales, mais nous pourrions voir des dizaines de produits utilisant les MOF dans les prochaines années. Les géants de l’industrie s’y intéressent – les compagnies pétrolières et gazières envisagent les MOF pour des procédés plus propres, les entreprises technologiques les considèrent pour des filtres à air dans les centres de données, et les constructeurs automobiles s’intéressent aux réservoirs d’hydrogène MOF et aux épurateurs de CO₂ pour l’air des habitacles.
À l’échelle mondiale, le soutien à la recherche et au déploiement des MOF s’aligne sur des priorités urgentes telles que l’action climatique, le développement durable et la fabrication avancée. Les gouvernements et les investisseurs financent des startups et des projets pilotes de MOF, reconnaissant que ces matériaux pourraient donner à leur pays un avantage concurrentiel dans les technologies propres. Aux États-Unis et en Europe, les MOF figurent dans les feuilles de route pour la capture du carbone et le stockage de l’hydrogène. Les derniers plans quinquennaux de la Chine mettent l’accent sur les nouveaux matériaux et la durabilité – des domaines qui correspondent parfaitement aux MOF. Des organisations internationales sont également impliquées : par exemple, la capture du carbone basée sur les MOF a été mise en avant lors de récentes conférences CCUS decarbonfuse.com, et la récolte d’eau par MOF a été couverte par des médias comme BBC et Scientific American, attirant l’attention du public sur ces innovations.
Bien sûr, des défis subsistent. Les coûts de fabrication et l’évolutivité doivent encore être améliorés (même si, comme mentionné, des progrès significatifs sont réalisés à ce niveau businesswire.com). La stabilité à long terme des MOF dans des conditions réelles (exposés aux impuretés, soumis à de nombreux cycles) doit être prouvée au cas par cas. Et chaque application doit faire face à la concurrence d’autres technologies (par exemple, la capture du carbone par MOF peut-elle surpasser les nouveaux systèmes à solvants ou à membranes ? Les dispositifs de récolte d’eau par MOF peuvent-ils dépasser le dessalement traditionnel à grande échelle ?). Ces questions trouveront réponse dans les prochaines années grâce à des projets de démonstration et des analyses économiques. Les premiers signes sont encourageants : là où les MOF excellent, ils excellent vraiment – offrant des capacités inégalées par les alternatives (par exemple, aucun autre matériau ne peut capturer l’eau à 10 % d’humidité aussi efficacement, ou stocker autant d’hydrogène sous une forme aussi légère).
En conclusion, les MOFs illustrent la puissance de l’innovation chimique pour relever les défis mondiaux. Ils ont commencé comme une curiosité dans les laboratoires de chimie et ont évolué en une plateforme ayant le potentiel de rendre l’industrie plus propre, l’énergie plus durable et des ressources comme l’eau plus accessibles. L’effort mondial pour développer les MOFs – des startups américaines aux universités chinoises, des consortiums de recherche européens aux laboratoires du Moyen-Orient – souligne un optimisme partagé envers ces matériaux. Comme l’a résumé un rapport, les MOFs « passent de la curiosité scientifique à la réalité commerciale », résolvant des problèmes dans la capture du carbone, l’eau, l’énergie, et plus encore businesswire.com. Si les tendances actuelles se poursuivent, les MOFs pourraient bientôt travailler discrètement en coulisses dans de nombreux aspects de la vie quotidienne, aidant à réaliser un monde plus vert et plus avancé. La prochaine fois que vous boirez une gorgée d’eau dans le désert, conduirez une voiture à hydrogène ou respirerez un air plus pur en ville, un cadre métal-organique pourrait bien en être une des raisons.
Sources : Des recherches récentes et des commentaires d’experts sur les MOFs proviennent de revues scientifiques de premier plan, de communiqués de presse universitaires et de rapports industriels, notamment Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, communiqués Businesswire businesswire.com, CORDIS (UE) cordis.europa.eu, et des analyses de marché businesswire.com, entre autres. Ces sources mettent en avant le consensus selon lequel les MOFs constituent une plateforme révolutionnaire en science des matériaux, avec un impact concret en forte croissance.
