Prix Nobel de chimie 2025
(nobelprize.org)- Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi ont reçu le prix Nobel de chimie 2025 pour le développement des metal–organic frameworks (MOF)
- Les MOF sont des architectures moléculaires dotées de grandes cavités, avec de nombreuses applications possibles comme le stockage de molécules d’eau, la capture du carbone, le stockage de l’hydrogène et l’élimination des polluants
- La conception initiale et la mise en pratique de MOF innovants ont ouvert la voie au développement de dizaines de milliers de matériaux chimiques sur mesure
- Contrairement aux matériaux existants, les MOF se distinguent par des avantages originaux en matière de flexibilité, de diversité des combinaisons moléculaires et de hautes fonctionnalités
- Les MOF proposent de nouvelles solutions chimiques à la recherche et à l’industrie, et s’imposent comme un matériau clé du XXIe siècle
Créer un espace pour une nouvelle chimie : le prix Nobel de chimie 2025
Aperçu
- Le prix Nobel de chimie 2025 a été attribué à Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi
- Ils ont développé une structure moléculaire innovante appelée metal–organic framework (MOF)
- Les MOF sont des architectures qui renferment de très grandes cavités internes, permettant à diverses molécules d’y entrer et d’en sortir
- Cela ouvre la voie à des applications innovantes comme l’extraction d’eau dans l’atmosphère désertique, l’élimination de polluants, la capture du dioxyde de carbone et le stockage de l’hydrogène
Origines et idée fondatrice des MOF
Une intuition née d’un modèle moléculaire en bois (Richard Robson)
- En 1974, Richard Robson a fabriqué un modèle moléculaire en bois pour l’enseignement à ses étudiants, ce qui lui a inspiré une idée à partir des modes de liaison des atomes
- Il a imaginé de combiner des ions métalliques se liant dans quatre directions, comme le carbone, avec des molécules organiques à quatre bras
- Il a ainsi créé pour la première fois un cristal moléculaire ordonné possédant de très grandes cavités internes
- En 1989, il a publié cette structure novatrice, anticipant une nouvelle manière de concevoir les matériaux
Expérimentations et proposition tournée vers l’avenir
- Robson a fusionné divers ions et molécules pour créer des structures à cavités, montrant expérimentalement que des échanges d’ions internes étaient réellement possibles
- Ces structures ont laissé entrevoir leur potentiel comme nouveaux matériaux chimiques, notamment pour la catalyse de réactions chimiques sélectives
- Bien que ces structures aient alors été instables, cette vision tournée vers l’avenir a inspiré les chercheurs des générations suivantes
Le travail pionnier indépendant de Kitagawa et Yaghi
Kitagawa : « l’utilité de l’inutile »
- Susumu Kitagawa a développé au départ des structures moléculaires poreuses sans usage particulier immédiat, selon le principe de « l’utilité de l’inutile »
- Après la publication en 1992 d’une structure bidimensionnelle à base d’ions cuivre, il a réalisé en 1997 un MOF tridimensionnel à la fois durable et capable de stocker des gaz
- Par rapport aux zéolithes existantes, les MOF présentent des atouts propres comme la flexibilité du matériau et la diversité des molécules constitutives
- En 1998, il a proposé le concept de flexibilité des MOF, introduisant un nouveau paradigme dans le monde académique
Yaghi : l’obsession de la conception à l’échelle atomique
- Omar Yaghi, qui a grandi dans un environnement difficile, a nourri une profonde curiosité pour les structures moléculaires
- En 1992, à l’Arizona State University, il a entrepris une conception moléculaire rationnelle et publié un MOF bidimensionnel obtenu en combinant des ions métalliques et des molécules organiques
- En 1995, il a proposé pour la première fois le terme « metal–organic framework », prenant ensuite la tête du domaine des MOF
- En 1999, il a développé MOF-5, un matériau emblématique, démontrant une innovation capable d’offrir, avec seulement 2 à 3 g, une surface interne équivalente à celle d’un terrain de football
- En 2002-2003, il a prouvé qu’il était possible de concevoir avantageusement des MOF avec des cavités de tailles variées
Applications et impact des MOF
Des usages innovants dans de nombreux domaines
- Les MOF peuvent être conçus sur mesure à l’échelle moléculaire, ce qui permet des dizaines d’applications à haute fonctionnalité comme l’absorption d’eau, le stockage de gaz, l’administration de médicaments, la capture de gaz toxiques et la décomposition de polluants
- Le groupe de Yaghi a démontré des usages concrets, notamment l’extraction d’eau dans l’atmosphère désertique
- Des matériaux MOF tels que UiO-67, MIL-101, ZIF-8, CALF-20, NU-1501 sont en cours d’expérimentation sur le terrain industriel pour le stockage de l’hydrogène/du dioxyde de carbone, l’élimination des PFAS et l’extraction de terres rares
Un matériau d’avenir pour le XXIe siècle
- Les MOF en sont encore aujourd’hui au stade de la recherche à petite échelle et de la production de prototypes, mais leur production de masse et leur commercialisation sont désormais activement engagées
- Ils attirent aussi l’attention comme solutions aux problèmes climatiques et environnementaux, pour le stockage de gaz nocifs de l’industrie électronique, la capture du carbone ou encore le stockage de l’hydrogène
- De nombreux chercheurs estiment que les MOF pourraient devenir le matériau phare du XXIe siècle
Parcours des principaux lauréats
- Susumu Kitagawa : né en 1951 à Kyoto, Japon ; doctorat à l’université de Kyoto ; professeur à l’université de Kyoto
- Richard Robson : né en 1937 au Royaume-Uni ; doctorat à l’université d’Oxford ; professeur à l’université de Melbourne
- Omar M. Yaghi : né en 1965 à Amman, Jordanie ; doctorat à l’université de l’Illinois ; professeur à UC Berkeley
Informations complémentaires
- Des explications scientifiques plus détaillées et des ressources sont disponibles sur www.nobelprize.org
- Des vidéos liées au prix, des conférences et des informations sur les expositions sont disponibles sur le site officiel du Nobel Prize Museum
Prix Nobel de chimie 2025 pour le développement des metal–organic frameworks
Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi
“for the development of metal–organic frameworks”
© The Royal Swedish Academy of Sciences
1 commentaires
Avis Hacker News
Félicitations aux lauréats ; c’est une récompense vraiment méritée Pour faire court, les matériaux poreux de type éponge sont utiles pour accélérer les réactions et pour capturer puis relâcher des molécules (eau, CO2, polluants, etc.), et plus leur surface est grande, plus ils ont de valeur Autrefois, on utilisait surtout des zéolithes (minéraux aluminosilicatés naturels ou synthétiques), mais les zéolithes synthétiques étaient presque toujours fabriquées par tâtonnements Les MOF (Metal-Organic Frameworks) peuvent être conçus à l’avance, et leur surface est bien plus grande que celle des zéolithes (les zéolithes sont généralement à 20-400 m2/gramme, les MOF à 1000-7000+ m2/gramme) Les MOF restent encore chers pour l’instant, donc on est obligé d’utiliser des zéolithes dans l’immédiat, mais ils deviennent déjà plus accessibles au point qu’on peut désormais en acheter sur Amazon, et on peut espérer que les MOF simples verront leur prix baisser à l’avenir
L’histoire du moment « aha ! » m’a inspiré à manipuler les idées physiquement J’ai récupéré des boules en bois et fabriqué un modèle moléculaire, puis j’ai réalisé que l’information était cachée dans la position des trous La bonne forme et la bonne structure se sont créées automatiquement, ce qui a mené à l’idée de concevoir de nouvelles structures moléculaires en exploitant les propriétés des atomes
Cela m’a rappelé une anecdote de Richard Feynman dans <Surely You Must Be Joking, Mr. Feynman> : alors qu’il bloquait sur une idée, il s’est mis à réfléchir en regardant une assiette tourner dans un restaurant, ce qui l’a amené à étudier une relation mathématique Les calculs eux-mêmes n’avaient alors pas d’objectif particulier, mais ils ont plus tard joué un rôle décisif dans l’obtention de son prix Nobel Le message est qu’il ne faut jamais sous-estimer la puissance du jeu
Ces matériaux donnent vraiment l’impression d’une version réelle d’une éponge de Menger avec une surface interne gigantesque Il y a 15 ans, en stage dans une entreprise de catalyseurs de désulfuration (des catalyseurs qui retirent le soufre du pétrole brut pour éviter que les carburants ne sentent mauvais), j’ai fabriqué quelques MOF stables à l’air et faciles à manipuler Comme la réaction entre le fluide et le catalyseur se produit à la surface du catalyseur, plus la surface est grande, plus la réaction est rapide et efficace J’ai essayé de reproduire des MOF en suivant des articles, et je me souviens que toute l’entreprise avait été choquée par l’énormité réelle de leur surface interne Je n’ai fait que reproduire une expérience et mesurer la surface, mais j’ai obtenu la meilleure évaluation possible ; j’en suis toujours reconnaissant à Yaghi et à son équipe, et cela reste un très bon souvenir
C’est intéressant d’expérimenter ce genre de choses, mais pour une utilisation industrielle réelle, ne faut-il pas s’inquiéter de redevances élevées à cause des brevets ou des licences ?
À propos de l’expression « version réelle d’une éponge de Menger avec une surface interne gigantesque », quelqu’un répond avec humour dans le genre : moi aussi, j’ai toujours été exactement dans cette situation
Les MOF sont un sujet « hot » en chimie depuis une dizaine d’années, donc cette récompense n’est pas vraiment surprenante ; félicitations aux lauréats
J’ai beaucoup aimé la qualité de l’explication, mais quelques points m’ont dérangé L’usage d’un tiret demi-cadratin au lieu d’un trait d’union dans « metal–organic », et l’absence de l’apostrophe possessive dans « the ions and molecules inherent attraction… »
La seconde absence d’apostrophe est simplement une faute de frappe, mais pour le premier point l’usage du tiret demi-cadratin est tout à fait correct et même élégant Comme dans l’exemple de Wikipédia, le tiret demi-cadratin sert à exprimer une relation, et il est impressionnant de voir l’article et le tweet l’utiliser de manière cohérente Référence Wikipédia sur le tiret demi-cadratin
Pour un Suédois, les apostrophes anglaises ne sont pas forcément naturelles à manier, donc il est facile de faire ce genre d’erreur en écrivant en anglais, et l’inverse est tout aussi vrai
De nos jours, presque plus personne ne connaît la différence entre trait d’union, tiret demi-cadratin et tiret cadratin, et avec les polices et jeux de caractères d’Internet, cela crée encore plus d’erreurs La convention de l’époque des machines à écrire, où '-' servait pour le trait d’union et le tiret demi-cadratin, et ' -- ' pour le tiret cadratin, ne s’est pas imposée L’influence de Microsoft Word est aussi importante En revanche, pour la faute d’apostrophe, il n’y a pas vraiment d’excuse
À propos du <takumigokoro> du professeur Kitagawa (匠心, l’esprit de l’artisan), l’histoire du Zhuangzi à laquelle il est fait référence mériterait davantage d’explications On raconte la légende du charpentier Luban, capable de construire des structures complexes mais utiles ; à force de ne rechercher que l’utilité, il finit pourtant par ne pas obtenir l’immortalité ultime qu’il désirait Zhuangzi pense que Luban n’a pas compris « l’utilité de l’inutile », mais en réalité Luban a fini par être vénéré comme un dieu parmi les artisans
La manière la plus élégante de concevoir des matériaux avec la chimie organique, c’est de créer ses propres petites briques Lego et de faire en sorte qu’elles s’assemblent d’elles-mêmes en structures gigantesques
Si les applications pratiques se concrétisent comme prévu, les domaines d’application des MOF seront vraiment extraordinaires
Pouvoir obtenir de l’eau à partir de l’air même dans le désert serait une transformation majeure ; on peut se demander si cela ne rendrait pas l’air trop sec, mais cela devrait pouvoir se gérer
On pourrait stocker le CO2 sous terre pour résoudre le problème des gaz à effet de serre, et l’industrie du gaz naturel dispose déjà de technologies de capture des gaz Il suffirait de trouver un moyen de capturer uniquement du CO2 pur dans l’atmosphère, et l’on espère que les MOF seront la meilleure technologie pour y parvenir
Il est souligné que les ressources nécessaires pour capturer du CO2 pur dans l’atmosphère seraient bien plus énormes qu’on ne l’imagine
Quelqu’un demande si la technologie permettant d’extraire l’eau de l’air pourrait déboucher sur de meilleurs déshumidificateurs
Les unités utilisées dans l’article prêtent à confusion Par exemple, on lit qu’« quelques grammes de MOF-5 ont une surface équivalente à celle d’un terrain de football », mais le gramme est une unité de masse tandis qu’un terrain de football est une surface en deux dimensions, donc le lien entre les deux n’est pas évident Je me suis demandé si cela voulait dire que quelques grammes de MOF-5 pouvaient contenir assez de gaz à 1 atmosphère pour remplir un espace de la taille d’un terrain de football, mais cela me semble une interprétation trop forcée
Il s’agit de la surface interne. C’est un peu comme calculer la surface des trous à l’intérieur de 10 g de gruyère
Pour mieux comprendre, il suffit d’imaginer une couverture extrêmement fine de la taille d’un terrain de football, puis de la froisser pour en faire une toute petite boule