Les matériaux connus sous le nom de cadres métallo-organiques (MOF) ont une structure rigide en forme de cage qui se prête à une variété d’applications, du stockage de gaz à l’administration de médicaments. En changeant les blocs de construction qui entrent dans les matériaux, ou la façon dont ils sont disposés, les chercheurs peuvent concevoir des MOF adaptés à différentes utilisations.
Cependant, toutes les structures MOF possibles ne sont pas suffisamment stables pour être déployées pour des applications telles que la catalyse de réactions ou le stockage de gaz. Pour aider les chercheurs à déterminer quelles structures MOF pourraient fonctionner le mieux pour une application donnée, les chercheurs du MIT ont développé une approche informatique qui leur permet de prédire quelles structures seront les plus stables.
À l’aide de leur modèle informatique, les chercheurs ont identifié environ 10 000 structures MOF possibles qu’ils classent comme “ultrastables”, ce qui en fait de bons candidats pour des applications telles que la conversion du méthane en méthanol.
“Lorsque les gens proposent des matériaux MOF hypothétiques, ils ne savent pas nécessairement à l’avance à quel point ce matériau est stable”, explique Heather Kulik, professeure associée de chimie et de génie chimique au MIT et auteur principal de l’étude.
“Nous avons utilisé des données et nos modèles d’apprentissage automatique pour trouver des blocs de construction qui devaient avoir une grande stabilité, et lorsque nous les avons recombinés de manière considérablement plus diversifiée, notre ensemble de données a été enrichi avec des matériaux avec une stabilité plus élevée que n’importe quel ensemble précédent. de matériaux hypothétiques que les gens avaient mis au point. »
Aditya Nandy, étudiante diplômée du MIT, est l’auteur principal de l’article, qui paraît aujourd’hui dans la revue Matière. Les autres auteurs sont le postdoctorant du MIT Shuwen Yue, les étudiants diplômés Changhwan Oh et Gianmarco Terrones, Chenru Duan Ph.D. ’22, et Yongchul G. Chung, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à l’Université nationale de Pusan.
Modélisation des MOF
Les scientifiques s’intéressent aux MOF car ils ont une structure poreuse qui les rend bien adaptés aux applications impliquant des gaz, telles que le stockage de gaz, la séparation de gaz similaires les uns des autres ou la conversion d’un gaz en un autre. Récemment, les scientifiques ont également commencé à explorer leur utilisation pour administrer des médicaments ou des agents d’imagerie dans le corps.
Les deux principaux composants des MOF sont des unités de construction secondaires – des molécules organiques qui incorporent des atomes métalliques tels que le zinc ou le cuivre – et des molécules organiques appelées lieurs, qui relient les unités de construction secondaires. Ces pièces peuvent être combinées de différentes manières, tout comme les blocs de construction LEGO, explique Kulik.
“Parce qu’il existe tellement de types différents de blocs LEGO et de façons de les assembler, cela donne lieu à une explosion combinatoire de différents matériaux de charpente organométallique possibles”, dit-elle. “Vous pouvez vraiment contrôler la structure globale de l’ossature organique métallique en sélectionnant et en choisissant la manière dont vous assemblez les différents composants.”
Actuellement, la manière la plus courante de concevoir des MOF consiste à effectuer des essais et des erreurs. Plus récemment, les chercheurs ont commencé à essayer des approches informatiques pour concevoir ces matériaux. La plupart de ces études ont été basées sur des prédictions de l’efficacité du matériau pour une application particulière, mais elles ne tiennent pas toujours compte de la stabilité du matériau résultant.
“Un très bon matériau MOF pour la catalyse ou le stockage de gaz aurait une structure très ouverte, mais une fois que vous avez cette structure ouverte, il peut être très difficile de s’assurer que ce matériau est également stable dans le cadre d’une utilisation à long terme”, explique Kulik. .
Dans une étude de 2021, Kulik a rapporté un nouveau modèle qu’elle a créé en extrayant quelques milliers d’articles sur les MOF pour trouver des données sur la température à laquelle un MOF donné se décomposerait et si des MOF particuliers peuvent résister aux conditions nécessaires pour éliminer les solvants utilisés pour synthétiser eux. Elle a formé le modèle informatique pour prédire ces deux caractéristiques, appelées stabilité thermique et stabilité d’activation, en fonction de la structure des molécules.
Dans la nouvelle étude, Kulik et ses étudiants ont utilisé ce modèle pour identifier environ 500 MOF à très haute stabilité. Ensuite, ils ont décomposé ces MOF en leurs blocs de construction les plus courants : 120 unités de construction secondaires et 16 lieurs.
En recombinant ces blocs de construction à l’aide d’environ 750 types d’architectures différents, dont beaucoup ne sont généralement pas inclus dans ces modèles, les chercheurs ont généré environ 50 000 nouvelles structures MOF.
“L’une des choses qui était unique à propos de notre ensemble était que nous avons examiné des symétries cristallines beaucoup plus diverses que jamais auparavant, mais [we did so] en utilisant ces blocs de construction qui ne provenaient que de MOF hautement stables synthétisés expérimentalement », explique Kulik.
Ultrastabilité
Les chercheurs ont ensuite utilisé leurs modèles informatiques pour prédire la stabilité de chacune de ces 50 000 structures et en ont identifié environ 10 000 qu’ils ont jugées ultrastables, à la fois pour la stabilité thermique et la stabilité d’activation.
Ils ont également examiné les structures pour leur “capacité livrable” – une mesure de la capacité d’un matériau à stocker et à libérer des gaz. Pour cette analyse, les chercheurs ont utilisé du gaz méthane, car la capture du méthane pourrait être utile pour le retirer de l’atmosphère ou le convertir en méthanol. Ils ont découvert que les 10 000 matériaux ultrastables qu’ils ont identifiés avaient de bonnes capacités de livraison pour le méthane et qu’ils étaient également mécaniquement stables, tel que mesuré par leur module d’élasticité prédit.
“La conception d’un MOF nécessite de prendre en compte de nombreux types de stabilité, mais nos modèles permettent une prédiction à coût quasi nul de la stabilité thermique et d’activation”, déclare Nandy. “En comprenant également la stabilité mécanique de ces matériaux, nous proposons une nouvelle façon d’identifier les matériaux prometteurs.”
Les chercheurs ont également identifié certains blocs de construction qui ont tendance à produire des matériaux plus stables. L’une des unités de construction secondaires présentant la meilleure stabilité était une molécule contenant du gadolinium, un métal de terre rare. Une autre était une porphyrine contenant du cobalt, une grande molécule organique composée de quatre anneaux interconnectés.
Les étudiants du laboratoire de Kulik travaillent actuellement sur la synthèse de certaines de ces structures MOF et les testent en laboratoire pour leur stabilité, leur capacité catalytique potentielle et leur capacité de séparation des gaz. Les chercheurs ont également mis leur base de données de matériaux ultrastables à la disposition des chercheurs intéressés à les tester pour leurs propres applications scientifiques.
Plus d’information:
Heather J. Kulik, Une base de données de MOF ultrastables réassemblés à partir de fragments stables avec des modèles d’apprentissage automatique, Matière (2023). DOI : 10.1016/j.matt.2023.03.009. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00111-X
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.
