Sondes magnétiques : la chimie des pores de COF observée en labo

À l'intérieur d'un cristal poreux dont les pores ne mesurent que quelques nanomètres de large, aucun instrument optique ne peut voir ce qui se passe. À l'Université Martin-Luther de Halle-Wittenberg (MLU), les doctorants Simona Bassoli et Sebastian Michler ont trouvé une autre façon d'observer : ils ajoutent de minuscules sondes magnétiques dans les pores et lisent la manière dont ces sondes réagissent. Ces travaux sont publiés dans la revue Small et restent au stade du laboratoire.

Les matériaux en jeu sont les réseaux organiques covalents, ou COF : des composés cristallins poreux dont les pores réguliers les rendent utiles pour filtrer les polluants de l'eau ou pour jouer le rôle de catalyseurs dans des réactions chimiques. Avant toute utilisation, l'environnement chimique à l'intérieur des pores doit être finement ajusté, ce qui exige de le mesurer avec précision. La méthode standard mesure le nombre de molécules d'azote qui s'adsorbent dans les pores à environ -196 °C. À cette température, tout mouvement moléculaire se fige. Le résultat est un instantané qui ne dit rien des interactions chimiques.

L'équipe de Halle remplace l'azote par un type particulier de sonde magnétique, soluble dans l'eau à température ambiante. Stimulées par des micro-ondes dans un champ magnétique intense, les sondes renvoient un signal de réponse, lu par une technique appelée spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE). Le principe est simple : lorsqu'une sonde touche une paroi de pore, son signal change. Ce signal indique combien de sondes sont retenues dans les pores, à quelle concentration, le type de liaison qui les attache à la paroi, et si les chaînes moléculaires qui tapissent les pores attirent l'eau (hydrophile) ou la repoussent (hydrophobe).

Pour vérifier que la méthode détecte réellement des différences chimiques, l'équipe a fabriqué deux variantes de COF aux pores contrastés : l'une avec des chaînes attirant l'eau, l'autre avec des chaînes la repoussant. La méthode complète les techniques analytiques établies, car elle fournit des informations différentes sur un même matériau. Aucune donnée de précision n'a encore été publiée.

Pour les laboratoires qui conçoivent des matériaux poreux, le gain est de pouvoir vérifier ce que fait réellement un pore avant de l'utiliser pour la filtration ou la catalyse. L'équipe n'a pas communiqué de calendrier. Ses prochaines étapes consistent à déterminer si les sondes peuvent révéler d'autres propriétés des matériaux, et si l'approche fonctionne sur d'autres matériaux poreux. Tant que ces questions n'auront pas de réponse, la méthode reste un outil de recherche.