Du même cadre supramoléculaire à des types distincts de liquides poreux via transformation in situ

Des liquides aux minuscules espaces cachés

Imaginez un liquide qui coule comme de l’huile mais renferme d’innombrables petites pièces vides à l’intérieur. Ces « liquides poreux » peuvent absorber des gaz comme le dioxyde de carbone bien plus efficacement que des fluides ordinaires, offrant de nouveaux outils pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et stocker des produits chimiques de manière plus efficace. Cette étude montre comment fabriquer deux types très différents de ces liquides inhabituels à partir du même matériau de départ, simplement en changeant le fluide de type salin qui les entoure.

Des blocs de construction qui s’emboîtent

Les chercheurs partent d’un cadre supramoléculaire, un solide constitué de cages métal‑organiques qui s’emboîtent comme des pièces d’un puzzle tridimensionnel. Chaque cage est un agrégat creux muni de petites ouvertures triangulaires menant à une cavité interne. Ces cages sont reliées en un réseau plus large par des liaisons ioniques relativement faibles, similaires aux attractions entre particules chargées dans le sel de table. Parce que ces liaisons sont faciles à perturber, l’ensemble de la structure peut être réarrangé si on le place dans le milieu liquide adapté.

Deux liquides, deux résultats

Pour contrôler l’évolution du cadre, l’équipe a conçu deux liquides ioniques presque identiques basés sur une chaîne flexible de polyéthylène glycol. La seule différence est le contre‑ion négatif : l’un contient des ions bromure, l’autre des ions NTf2 plus volumineux. Malgré ce faible changement, leur comportement est opposé. Dans le liquide au bromure, les charges négatives du solvant attirent fortement le cadre chargé positivement, rompent les liaisons ioniques et libèrent des cages individuelles qui se dissolvent complètement. Cela crée un liquide poreux de « type II », où des cages creuses isolées flottent dans le liquide. Dans le liquide NTf2, le solvant et la surface du cadre sont tous deux chargés positivement et se repoussent. Le cadre reste intact mais se disperse de manière homogène, formant un liquide poreux de « type III » où des particules solides sont en suspension tout en conservant des cavités accessibles.

Comment les minuscules cavités piègent le gaz

Des expériences et des simulations informatiques confirment que, dans les deux liquides, les molécules volumineuses du solvant sont trop grosses pour passer par les fenêtres des cages, si bien que les chambres internes restent vides et prêtes à accueillir des molécules de gaz. Des mesures de la durée de vie des positrons, sensibles aux vides nanométriques, montrent que les deux liquides contiennent plus de volume libre que leurs solvants purs. Les simulations révèlent en outre des « cavités externes » : des espaces supplémentaires qui apparaissent là où les molécules de solvant s’agencent autour de chaque cage. Ces poches supplémentaires fonctionnent comme des casiers de stockage bonus pour les gaz. Le liquide de type II, avec des cages séparées entourées par le solvant, forme davantage de ces cavités externes que le liquide de type III, où les cages s’agrègent au sein du réseau.

Un interrupteur lumineux pour la capture du carbone

Un élément clé est que les parois des cages intègrent des unités azobenzène, des molécules qui changent de conformation lorsqu’elles sont exposées aux ultraviolets ou à la lumière visible. Sous lumière UV, elles se plient, rétrécissant ou remodelant légèrement les cavités ; sous lumière visible, elles se redressent. Dans le liquide de type II, où les cages se déplacent plus librement, ce changement de forme est particulièrement efficace et induit une variation réversible importante de la quantité de dioxyde de carbone que le liquide peut contenir. À basse température et à pression modérée, le liquide de type II à base de bromure stocke plus de deux fois plus de dioxyde de carbone que son homologue de type III et bien davantage que le solvant simple. Il affiche également une capacité record par rapport à tous les liquides poreux de type II rapportés précédemment, tout en préférentiellement adsorbant le dioxyde de carbone par rapport à l’azote et au méthane.

Pourquoi cela compte pour des gaz plus propres

En modulant finement les interactions électriques entre un cadre poreux et le liquide ionique qui l’entoure, les chercheurs ont démontré une recette générale pour obtenir des liquides poreux très différents à partir des mêmes éléments de base. Une voie donne des cages dissoutes avec une capacité de stockage de gaz exceptionnelle et un contrôle puissant commandé par la lumière ; l’autre conserve un réseau étendu avec une performance plus modeste mais néanmoins améliorée. Cette approche pourrait aider les ingénieurs à concevoir des liquides sur mesure et commutables pour capturer le dioxyde de carbone dans des mélanges gazeux et pour d’autres séparations, combinant la facilité de mise en œuvre des liquides et la puissance de stockage des solides poreux.

Citation: Liu, Y., Jin, HY., Li, MM. et al. From the same supramolecular framework to distinct types of porous liquids via in-situ transformation. Nat Commun 17, 3072 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69837-8

Mots-clés: liquides poreux, capture du dioxyde de carbone, liquides ioniques, séparation des gaz, matériaux photo‑réactifs