Résumé :
Dans le domaine de la science des matériaux, le verre a attiré beaucoup d'attention en raison de sa structure atomique désordonnée unique et de sa large gamme d'applications quotidiennes et industrielles. Cependant, le caractère incontrôlable lors du traitement à des températures extrêmement élevées a longtemps limité le développement de nouveaux verres fonctionnels. Une équipe internationale de recherche scientifique conjointe de l'Université de Birmingham (Royaume-Uni) et de l'Université TU Dortmund (Université TU Dortmund) en Allemagne a réalisé des progrès décisifs. Les chercheurs se sont intelligemment inspirés d'anciennes stratégies chimiques utilisées dans la fabrication traditionnelle du verre silicaté pendant des milliers d'années et ont réussi à reconstruire avec précision et à contrôler chimiquement la structure atomique interne du verre à structure organique métallisée (MOF) pendant le processus de fusion, conférant à ce type de matériau de pointe de nouvelles propriétés physiques et de nouveaux avantages de traitement.
En tant que nouveau matériau hybride inorganique-organique qui combine profondément des ions métalliques avec des ligands organiques, le verre MOF (tel que le ZIF-62) possède une structure microporeuse unique et présente un grand potentiel d'application dans les domaines de la capture du dioxyde de carbone, du stockage de l'hydrogène, du dessalement de l'eau de mer et de la séparation avancée par membrane. Cependant, le verre MOF traditionnel doit souvent être chauffé à des températures élevées, supérieures à 300°C, pour ramollir et fondre. Cette température est extrêmement proche de la limite de décomposition thermique du matériau lui-même, ce qui non seulement augmente considérablement la difficulté du traitement et du moulage industriels à grande échelle, mais détruit également facilement sa structure poreuse clé.
Afin de surmonter ce goulot d'étranglement dans le traitement, l'équipe de recherche scientifique a porté son attention sur l'ancienne technologie de modification du verre. Dans l’industrie du verre traditionnelle, les ouvriers ajoutent généralement une petite quantité de composés de métaux alcalins tels que le sodium ou le lithium au sable de silice pour abaisser le point de fusion et la viscosité. Les chercheurs ont transféré cette logique au domaine du verre MOF et ont réussi à intervenir efficacement dans le réseau de connexions atomiques interne du matériau en introduisant des traces de composés de sodium ou de lithium pendant le processus de fusion du ZIF-62.
Afin de révéler ce processus de modification chimique à l'échelle atomique, l'équipe de recherche a utilisé l'installation nationale britannique de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide à champ élevé pour mener des expériences de spectroscopie RMN à l'état solide à haute température, et l'a combinée avec une modélisation informatique d'apprentissage automatique basée sur l'intelligence artificielle pour observer l'interaction entre l'additif et le réseau de verre en temps réel. Les données montrent que les ions sodium ajoutés remplissent non seulement les micropores à l’intérieur du matériau, mais remplacent également directement certains atomes de zinc, se dissociant et reconstruisant localement le réseau de réseau serré d’origine. Cette réorganisation de la microstructure réduit considérablement la température de ramollissement du matériau et améliore grandement sa fluidité à l'état fondu, tout en conservant au maximum les caractéristiques originales des pores du matériau.
Les experts de l'industrie ont souligné que cette recherche a prouvé avec succès que le principe de modification du verre silicaté traditionnel est pleinement applicable aux matériaux hybrides métallo-organiques complexes modernes. En réécrivant avec précision la structure chimique et atomique du verre MOF à l'état fondu, les chercheurs ont non seulement réduit la consommation d'énergie de fabrication et le seuil de traitement de ce type de matériaux hautes performances, mais ont également ouvert une vaste voie scientifique pour le développement futur de nouveaux verres techniques de nouvelle génération dotés de fonctions spécifiques d'adsorption de gaz, de catalyse et de séparation hautement sélective.
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