Le prix Nobel de chimie 2025 a été décerné à trois scientifiques dont l'idée est passée du laboratoire à une nouvelle branche de matériaux et à toute une industrie : Susumu Kitagawa, Richard Robson et Omar M. Yaghi. Leurs travaux sur les réseaux métal-organiques (MOF) – des réseaux cristallins à l'immense surface interne – ont changé notre façon de penser le stockage des gaz, la purification de l'air et de l'eau, et même l'administration de médicaments. Cette « architecture » poreuse à l'échelle moléculaire est aujourd'hui considérée comme l'une des découvertes les plus influentes de la chimie moderne des matériaux ; il n'est donc pas surprenant que 2025 ait marqué le moment de la reconnaissance formelle.
Ce que sont vraiment les MOF et pourquoi ils sont spéciaux
Au niveau le plus simple, un MOF est un « échafaudage » composé de nœuds métalliques et de « tiges » organiques qui les relient. Le résultat est un réseau cristallin avec des canaux et des cavités réguliers. Grâce à cette géométrie, les MOF peuvent avoir une surface interne de plusieurs milliers de mètres carrés par un seul gramme de matériau. En pratique, cela signifie qu'un nombre étonnamment élevé de molécules peut être logé dans leurs pores – de la vapeur d'eau au dioxyde de carbone, au méthane ou à l'hydrogène – et ce de manière sélective, en fonction du « mobilier » chimique à l'intérieur des pores.
Une comparaison souvent utilisée – et qui saisit bien l'essence – est celle avec les cages à écureuil pour enfants sur une aire de jeux. La construction semble massive, mais c'est surtout un espace vide. Les enfants jouent dans les interstices ; dans les MOF, au lieu des enfants, ce sont les molécules qui se déplacent. C'est précisément ce vide, que nous gérons au niveau atomique, qui fait des MOF des adsorbants extrêmement puissants et des plateformes réactives.
Les pionniers et la route vers le Nobel
Le chimiste australien Richard Robson avait déjà esquissé, dans les années soixante-dix et quatre-vingt, l'idée de réseaux cristallins dans lesquels les métaux et les ligands organiques s'arrangent en motifs infinis. Le chercheur japonais Susumu Kitagawa a montré comment de telles structures pouvaient être stables, perméables et utiles, tandis qu'Omar M. Yaghi a développé la chimie réticulaire – une approche systématique pour « tisser » des réseaux à la topologie et à la fonction prédéfinies. Au cours des décennies suivantes, des milliers de MOF différents ont été créés, et avec eux de nouveaux concepts : l'isoreticularité (construire des « familles » avec la même topologie), la modification post-synthétique (ajuster la chimie des pores après la synthèse) et la fonctionnalisation sur mesure du processus cible.
Comment un MOF « attrape » et libère les molécules
Pourquoi une surface immense est-elle importante ? Parce que l'adsorption est un phénomène de surface. Plus il y a « d'étagères » et de « coins », plus il y a d'endroits où les molécules peuvent se lier temporairement. Mais la véritable force des MOF réside dans le fait que nous pouvons « revêtir » chimiquement cette surface : des groupes fonctionnels qui aiment l'eau ou, inversement, capturent sélectivement le CO2, l'ammoniac ou le dioxyde de soufre peuvent être incorporés dans le pore. Une fois que nous avons rempli les pores, le matériau peut être régénéré par un léger chauffage, une réduction de la pression ou un changement d'humidité – et le cycle se répète des centaines de fois.
L'eau de l'air : de la curiosité scientifique au test sur le terrain
Peu de démonstrations de MOF ont suscité autant d'attention que la « récolte de l'eau » de l'air du désert. Une équipe de Berkeley dirigée par Omar Yaghi a d'abord montré que le MOF-801 au zirconium peut absorber l'eau même dans l'air sec, puis a développé le MOF-303 à l'aluminium, un matériau à la cinétique plus rapide et à la capacité plus grande. Des essais sur le terrain dans des environnements extrêmement secs ont confirmé qu'il est possible d'obtenir passivement, grâce à la chaleur solaire, des centaines de grammes d'eau par kilogramme de sorbant par jour – sans alimentation externe, dans des cycles adaptés à l'échange jour-nuit de température et d'humidité. Pour les régions arides, cela ouvre une nouvelle infrastructure spatialement distribuée pour l'eau potable.
Du militaire à l'application civile : le programme de la DARPA et une industrie naissante
Les opérations militaires ressentent particulièrement le poids de la « logistique de l'eau » : le transport de jerrycans et de citernes est coûteux et risqué. C'est précisément pour cela que la DARPA a lancé le programme Atmospheric Water Extraction (AWE) afin d'encourager le développement d'un dispositif compact fournissant suffisamment d'eau potable pour un individu ou une unité dans des conditions extrêmement sèches. Le programme a rassemblé des équipes académiques et industrielles dans le but de réduire considérablement la masse, le volume et la consommation d'énergie par rapport aux générateurs d'eau atmosphérique classiques. Le chimiste américain Seth M. Cohen (UC San Diego) a également travaillé comme gestionnaire de programme, et les résultats – des prototypes validés à la commercialisation de la technologie des sorbants – ont tracé la voie vers des solutions de marché.
Gaz sous contrôle : hydrogène, méthane et CO2
Si l'eau est l'application la plus émotionnelle, l'énergie est probablement la plus importante. Les MOF permettent aux réservoirs d'hydrogène ou de méthane « d'emballer » plus de carburant à des pressions et températures plus basses, car les gaz ne « flottent » pas dans le vide mais se lient aux parois des pores. Les paramètres clés sont ici : la taille et la distribution des pores, la surface spécifique, l'énergie d'interaction de l'hydrogène avec les « ancres » dans les pores et le flux thermique lors du chargement/déchargement. Bien que l'application commerciale à grande échelle dans les véhicules reste un défi – surtout à des températures proches de l'ambiante – la tendance est claire : la conception des pores et des groupes fonctionnels rapproche les systèmes des objectifs de performance prescrits par les régulateurs énergétiques.
D'autre part, dans la lutte contre le changement climatique, les MOF s'imposent comme des adsorbants pour la capture sélective du CO2 des gaz de combustion des centrales électriques ou même de l'air. Leur avantage est l'ajustabilité : des groupes fonctionnels amines, des sites métalliques ouverts ou des réseaux « intelligents » qui changent d'affinité en fonction de l'humidité et de la température. Ils sont de plus en plus combinés avec des membranes, créant ainsi des membranes mixtes à la perméabilité et à la sélectivité améliorées.
Neutralisation des vapeurs toxiques et protection
Un autre domaine dans lequel les MOF sont extrêmement prometteurs est la capture et la dégradation de gaz toxiques comme l'ammoniac, le dioxyde de soufre, le sulfure d'hydrogène ou les oxydes d'azote. Les adsorbants classiques se corrodent souvent ou saturent rapidement ; l'objectif est d'obtenir des matériaux qui non seulement peuvent « attraper » une molécule au niveau ppm, mais aussi la transformer chimiquement en espèces plus inoffensives. Dans cette direction, des MOF stables à base de Zr et d'Al avec des sites catalytiques ont été développés, ainsi que des composites portant des catalyseurs pour l'oxydation et la neutralisation dans les pores.
Médicaments au rythme des pores : libération lente et ciblée
Un réseau poreux n'est pas seulement un « entrepôt » ; il peut aussi être un « calendrier de livraison ». Les molécules pharmaceutiques peuvent être « garées » dans les pores de manière à être libérées lentement, sous surveillance et potentiellement de manière ciblée – par exemple sous l'influence du pH, de la lumière ou de la température. Les modifications post-synthétiques, un domaine dans lequel le groupe de Seth Cohen a apporté des contributions clés, ont permis d'incorporer à l'intérieur du réseau des groupes fonctionnels qui « tiennent » le médicament tant que cela est souhaitable, puis le relâchent sur le site d'effet. Parallèlement, les nanocomposites MOF-polymère offrent une meilleure robustesse mécanique et biocompatibilité.
Du « sel » de laboratoire au réservoir : à quoi ressemble le saut vers l'application
Dans l'histoire des MOF, l'exemple contre-intuitif avec les réservoirs de gaz est souvent souligné. Imaginez un réservoir de méthane : il est vide et prêt à être rempli. Si vous y versez des granulés de MOF, visuellement vous avez « volé » du volume au gaz. Mais chaque petit cristal cache des milliers de mètres carrés de surface interne sur lesquels le méthane peut s'adsorber. Résultat : à la même pression et température, il tient plusieurs fois plus de gaz dans le réservoir « rempli » que dans le vide. Le défi d'ingénierie est la répartition de la chaleur (l'adsorption libère de la chaleur), la stabilité mécanique du lit tassé et de longs cycles sans dégradation.
Qu'est-ce que la chimie réticulaire et pourquoi elle est cruciale
Le concept de chimie réticulaire de Yaghi a donné les outils pour concevoir le réseau à l'avance : on choisit la topologie (par ex. cubique, hexagonale), les distances entre les nœuds, la chimie des nœuds et des « ponts », puis les propriétés – de la taille des pores à l'hydrophilie – sont prédites, et non trouvées par hasard. Cela a permis des « familles » comme UiO-66 (nœuds de zirconium, divers ligands) et les séries MIL (nœuds d'aluminium/fer) qui sont aujourd'hui les chevaux de bataille de nombreuses applications. Le simple fait que l'on puisse « enfiler » des dizaines de groupes fonctionnels sur la même topologie fait des MOF une plateforme, et non un matériau individuel.
Courbes de sorption, hystérésis et conditions réelles
En laboratoire, il est facile d'atteindre des chiffres impressionnants, mais l'industrie exige des performances dans des conditions réelles : présence d'humidité, températures variables, mélanges d'impuretés, vibrations mécaniques. C'est pourquoi aujourd'hui, aux côtés des isothermes classiques (Langmuir, BET), les tests dynamiques à travers des milliers de cycles, la désorption rapide dans des conditions douces et la résistance aux gaz corrosifs gagnent en importance. Pour la capture de l'ammoniac ou du SO2, des MOF avec des sites « sacrificiels » qui se régénèrent sont développés, tandis que pour le CO2, les réseaux aminofonctionnalisés qui conservent leur sélectivité même dans des flux de gaz humides sont de plus en plus préférés.
Le rôle des universités et des agences d'État
Le Nobel est un projecteur, mais l'infrastructure qui y mène – laboratoires, centres et programmes – reste souvent dans l'ombre. UC Berkeley, Kyoto et Melbourne ont dirigé le développement conceptuel, tandis que UC San Diego et d'autres institutions ont poussé les matériaux vers la modification post-synthétique, les membranes et la biomédecine. Du côté de l'État, des programmes comme l'AWE de la DARPA ont joué un rôle important dans la « traduction » des matériaux en dispositifs, des prototypes de la taille d'un four à micro-ondes aux systèmes pour des camps entiers. Tout aussi importante est la vague de partenariats industriels qui sortent la technologie des publications et la transforment en équipement robuste.
Où nous en sommes aujourd'hui et ce qui suit
Aujourd'hui, le catalogue des MOF connus est immense, et l'apprentissage automatique aide à prédire des combinaisons de métaux et de ligands avec une énergétique de liaison de l'hydrogène ciblée ou une sélectivité envers le CO2 dans des conditions humides. Les produits commerciaux sont encore de niche – par exemple des conteneurs pour le contrôle de l'éthylène qui prolongent la fraîcheur des fruits, des filtres pour l'élimination sélective des vapeurs désagréables ou des prototypes de collecteurs d'eau domestiques – mais la tendance est claire : avec la baisse du prix des sorbants et l'intégration avec des échangeurs de chaleur efficaces, les MOF sortent du laboratoire.
Pourquoi la reconnaissance de 2025 est importante même au-delà de la chimie
Les histoires de Nobel restent souvent « au sein de la profession », mais ce cas a une signification plus large. Le monde lutte simultanément contre l'insécurité hydrique, la décarbonisation et la qualité de l'air. Les MOF sont un exemple rare de plateforme qui ouvre des options sur plusieurs fronts : la collecte passive d'eau au soleil, des réservoirs qui facilitent la logistique des carburants propres, des filtres et catalyseurs qui protègent la santé. Le prix décerné à Kitagawa, Robson et Yaghi est donc aussi un message symbolique – investir dans les fondements de la chimie des matériaux peut apporter des solutions qui sont à la fois pratiques et évolutives.
Comment reconnaître la « hype » et la distinguer du progrès
Il vaut la peine de dire ceci aussi : les MOF ont longtemps été les « stars » des couvertures car les chiffres sur les surfaces et les capacités semblaient incroyables. Les questions critiques – coût de synthèse, recyclabilité des métaux et des ligands, sécurité lors du lessivage, cohésion mécanique dans les dispositifs réels – n'ont pas disparu. Ce qui a changé, c'est que les chercheurs et les ingénieurs ont commencé ces dernières années à montrer des cycles fiables sur le terrain désertique, des prototypes validés pour l'eau de l'air et des performances mesurées selon des métriques industrielles. En d'autres termes, la « hype » recule devant des preuves d'ingénierie concrètes.
Note sur la date et le contexte
La cérémonie centrale de remise des Nobel a traditionnellement lieu le 10 décembre, et cette année elle arrive après les annonces des lauréats en octobre. Dans la communauté scientifique, les débats se poursuivront – qui a fait quoi en premier, quelle a été la publication décisive – mais il y a peu de doutes que les gagnants de 2025 ont intégré les MOF dans les fondations de la chimie moderne des matériaux. Leur travail restera une référence pour tous ceux qui veulent extraire l'eau de l'air, stocker l'hydrogène dans des réservoirs ou nettoyer les gaz dont la place est dans les processus, et non dans nos poumons.