Eponges à molécules, les MOF sont au cœur du prix Nobel de chimie 2025

Le prix Nobel de chimie 2025 a été décerné le 10 décembre à un trio de chimistes composé du Japonais Susumu Ki-tagawa (74 ans), professeur à l’université de Kyoto, du Britannique Richard Robson (88 ans), professeur à l’université de Melbourne, et de l’Américano-Jordanien Omar Yaghi (60 ans), professeur à l’université de Californie à Berkeley. Leur mérite : avoir su dompter les MOF (Metal-Organic Frameworks), des matériaux hybrides poreux constitués d’ions ou de clusters métalliques reliés par des ligands organiques multidentés. Ces réseaux cristallins présentent une porosité extrêmement élevée et une grande modularité chimique, permettant le stockage de gaz, la capture sélective de molécules, ou la catalyse, ou encore la conduction d’’électricité.

Dans ces structures, les nœuds métalliques (souvent des ions ou des clusters comme Zn₄O, Zr₆O₄(OH)₄…) jouent le rôle de centres de coordination, reliés entre eux par des ligands organiques tels que des carboxylates ou des azolates. Ensemble, ces entités forment des cristaux tridimensionnels aux cavités de taille contrôlable. Certains précurseurs de ces matériaux étaient déjà connus (par exemple le bleu de Prusse, un réseau métal-cyanure du XVIII ᵉ siècle), mais avant les travaux des trois lauréats, on ne savait pas concevoir et synthétiser des réseaux poreux de manière prédictive et régulière. Grâce à leurs recherches, des dizaines de milliers de MOF différents ont été produits depuis les années 1990.

Premières avancées à la fin des années 1980

La première avancée majeure remonte à la fin des années 1980, lorsque Richard Robson étudie de nouvelles manières d’assembler des centres métalliques et des ligands organiques pour obtenir des réseaux étendus. En 1989, il décrit un réseau tridimensionnel à base de cuivre et de tétracyanotétraphénylméthane, possédant une architecture ouverte. Cependant, cette structure était instable et se désagrégeait à l’évacuation du solvant. C’est Susumu Kitagawa et Omar Yaghi qui, dans les années 1990, ont posé les bases de la chimie des MOF modernes, établissant les règles de construction et de stabilisation de ces matériaux.

À l’époque, la communauté connaissait surtout les zéolites, des réseaux inorganiques d’aluminosilicates rigides, utilisés en catalyse et adsorption. Mais les MOF, eux, offrent une flexibilité chimique bien supérieure, car ils peuvent être fabriqués à partir d’une vaste palette de métaux et de ligands organiques. En 1998, Kitagawa a montré que certains MOF pouvaient être flexibles : en absorbant ou relâchant des molécules (eau, méthane… ), leur structure se déforme réversiblement, un comportement souvent qualifié de « respirant », à la différence des zéolites rigides.

Le MOF-5, un classique

En 1999, le professeur Yaghi publie la synthèse du MOF-5, composé de clusters Zn₄O reliés par des ligands benzènedicarboxylates (BDC). Ce matériau devient rapidement un classique du domaine, avec une surface spécifique pouvant atteindre 3000 m²/g. Sa structure reste stable jusqu’à environ 300 °C sous vide et peut être fonctionnalisée chimiquement.

Entre 2002 et 2003, Omar Yaghi formalise une approche permettant de concevoir des réseaux cristallins poreux à l’architecture prédictible. Il démontre qu’en modifiant systématiquement les ligands, on peut ajuster la taille des pores et introduire des fonctions chimiques variées. Ses équipes créent notamment de nombreuses variantes du MOF-5, certaines optimisées pour le stockage de méthane ou d’hydrogène, ou encore pour la capture d’eau atmosphérique dans des conditions arides – démonstration réalisée dans le désert d’Arizona. Selon le comité Nobel : « Ces pionniers ont non seulement approfondi la compréhension de la synthèse prédictive de structures cristallines étendues, mais ont aussi profondément transformé notre vision de la chimie de l’état solide. »

Leurs travaux ont aussi été nourris par ceux d’un autre pionnier du domaine, le professeur Gérard Férey, aujourd’hui disparu. Il a fondé et dirigé, à partir du milieu des années 1990, la recherche à l’Institut Lavoisier de l’université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ/CNRS). Ses équipes ont alors synthétisé de nombreuses familles de MOF, notamment les séries dites MIL-n (pour Materials of Institut Lavoisier). Les MIL-100 ou MIL-101 à porosité géante ont montré leur capacité à absorber des quantités considérables de gaz (CO2, hydrogène,…), des principes actifs pharmaceutiques ou à dégrader des polluants tels que les oxydes d’azote. Cet élan se poursuit à l’IMAP (Institut des Matériaux Poreux de Paris – CNRS/ENS-PSL/ ESPCI Paris-PSL) à travers l’équipe de Christian Serre, auteur de plus de 450 publications, co-inventeur de plus de quarante familles de brevets et co-fondateur de la start-up SquairTech, spécialisée dans lare-cherche de solutions à base de MOF pour la qualité de l’air intérieur.

De l’IA pour accélérer la conception de nouveaux MOF

Aujourd’hui, la recherche sur les MOF bénéficie de l’intelligence artificielle pour accélérer la conception assistée par calcul et la prévision des propriétés. De nombreux secteurs s’y intéressent : captage du CO₂ industriel, stockage d’hydrogène, séquestration de gaz toxiques pour la microélectronique, purification d’air ou libération contrôlée de médicaments. Le géant BASF, 2e déposant de brevets sur les vingts dernières années – contre une 5e position pour le CNRS-propose désormais des versions commerciales de MOF. En France, les verrous de l’industrialisation sont en train d’être levés par l’IRCELyon, avec un pilote installé en collaboration avec la start-up MOFapps, ou parla plateforme AxelOne (Projet DEFIMOF pour le développement d’une filière industrielle des MOF). Autant d’initiatives qui laissent augurer un destin particulièrement brillant pour ces matériaux hybrides du XXIᵉ siècle.

Sources : Les MOF : étude stratégique de CNRS Innovation (publié sur Calaméo) Les Mardis de la chimie durable de la SCF (Webinaire du 25 novembre 2025) Le rapport de l’académie Nobel (www.nobelprize.org)