Le prix Nobel de chimie 2025 a été décerné à des chercheurs pour leurs travaux sur des structures innovantes qui allient composants inorganiques et organiques. Ces matériaux promettent des applications variées, déjà impactantes pour des enjeux contemporains cruciaux et ouvrent la voie à de nouveaux développements dans divers domaines.
Le prix Nobel de chimie 2025 a été attribué mercredi 8 octobre à des chercheurs Susumu Kitagawa, Richard Robson et Omar Yaghi pour leurs découvertes concernant les structures métal-organiques ou MOF — acronyme pour metal organic frameworks — qui sont des réseaux moléculaires cristallins associant des éléments inorganiques (des métaux) à des composés organiques à base de carbone. Bien que les applications pratiques des découvertes distinguées par l’Académie royale des sciences de Suède ne soient pas toujours évidentes, cette fois-ci, on fera face à des matériaux novateurs qui ont déjà un impact significatif et posent les bases de nouveaux développements. C’est exactement ce que Alfred Nobel a choisi d’honorer dans son testament, rédigé à la fin du XIXe siècle. Alors, que sont ces structures métal-organiques et comment fonctionnent-elles ?
Que sont les structures métal-organiques et à quoi servent-elles ?
Comme leur nom l’indique, les structures métal-organiques (ou métallorganiques) sont des matériaux résultant de la combinaison de métaux et de composés organiques, établissant un lien efficace entre chimie inorganique et chimie organique. Les éléments s’associent pour former des réseaux cristallins de structure bidimensionnelle, tridimensionnelle (ou même monodimensionnelle) avec une porosité très élevée, où la majorité du volume est occupé par ces espaces vides. Selon les propriétés chimiques et physiques des éléments utilisés pour créer les MOF, on peut obtenir des matériaux dotés de multiples propriétés et donc d’applications variées. Par exemple, les MOF peuvent capturer et stocker des gaz tels que le dioxyde de carbone (CO2), contribuant ainsi à la lutte contre le réchauffement climatique; filtrer l’eau ou d’autres liquides en éliminant métaux et substances toxiques, comme les PFAS, connus pour leur durabilité dans l’environnement ; ils peuvent également accélérer certaines réactions chimiques et permettre la sépération de composés comme les hydrocarbures, en modulant la porosité de leur structure.
Les MOF peuvent aussi servir de capteurs pour détecter des substances spécifiques dans l’environnement, en trouvant des applications dans le domaine médical, allant de la stabilisation des vaccins à l’imagerie diagnostique, par exemple comme agents de contraste. Étant constamment développées, les structures métal-organiques ouvrent la voie à de nouveaux usages. Parmi les applications les plus prometteuses figure la capacité à extraire de l’eau de l’humidité de l’air, même dans des conditions extrêmes, comme celles des déserts. Ainsi, les dispositifs basés sur ces matériaux apparaissent comme des alliés précieux pour faire face aux causes et aux effets de la crise climatique, en éliminant le dioxyde de carbone de l’atmosphère — de manière analogue à un arbre — et en produisant de l’eau dans les régions souffrant de sécheresse, aggravée par l’augmentation des températures. « Les structures métal-organiques présentent un potentiel énorme, offrant des possibilités inattendues pour des matériaux sur mesure avec de nouvelles fonctionnalités », a déclaré le professeur Heiner Linke, dans un communiqué de la Fondation Nobel.
Qui sont Susumu Kitagawa, Richard Robson et Omar Yaghi, les lauréats du prix Nobel de chimie ?
La conception de ces structures métal-organiques novatrices doit tout au travail pionnier des professeurs Susumu Kitagawa (Université de Tokyo), Richard Robson (Université de Melbourne) et Omar Yaghi (Université de Californie à Berkeley), lauréats du Nobel de chimie 2025. Tout a débuté en 1989, lorsque le scientifique britannique Richard Robson, né en 1937 et spécialiste des métaux de transition, a combiné ions cuivre positifs avec une molécule à quatre bras, dont les extrémités étaient attirées par le cuivre. Il a ainsi créé une structure cristalline ordonnée et très poreuse, dont il a immédiatement perçu les applications potentielles. Toutefois, son réseau novateur s’est avéré instable et propice à l’effondrement.
Ce ne fut qu’avec la collaboration de ses deux collègues Kitagawa et Yaghi, entre 1992 et 2013, que les structures métal-organiques ont pris forme de manière stable et utile pour développer des projets novateurs. « Kitagawa a démontré que les gaz pouvaient circuler à l’intérieur et à l’extérieur des structures et a prédit que les MOF pouvaient être rendus flexibles », a expliqué la Fondation Nobel, tandis que Yaghi a créé « un MOF très stable et a prouvé qu’il pouvait être modifié via une conception rationnelle, lui conférant de nouvelles propriétés désirables”.
Le professeur Kitagawa, né en 1951, a publié des centaines d’articles dans des revues scientifiques de renom, devenant membre de l’Académie du Japon et de la Royal Society pour ses nombreux travaux sur les matériaux poreux. Le professeur Robson a exercé au Royaume-Unis, aux États-Unis et en Australie, où il réside actuellement. Il est également membre de la Royal Society et a consacré sa carrière à la création de polymères. Omar Yaghi, né en 1965 à Amman (Jordanie) et naturalisé américain, a travaillé dans plusieurs universités américaines et est membre du laboratoire national Lawrence Berkeley. Tout au long de sa carrière, dédiée à l’étude des structures métal-organiques, il a reçu de nombreux prix, du Wolf au Balzan, y compris la Médaille Luigi Sacconi de la Société Chimique Italienne.