Des chercheurs américains, sud-coréens et français ont actualisé et enrichi une gigantesque base de données de MOF (metal-organic framework, réseaux organométalliques) comme jamais auparavant. Ces structures cristallines nanoporeuses sont connues pour leurs applications en catalyse ou pour la capture de gaz comme le CO2. Dans des travaux publiés fin juin dans la revue Matter, les chercheurs expliquent avoir passé en revue, à l’aide d’un filtrage et de machine learning, quelque 100 000 MOF. Cette analyse a permis d’apporter des précisions à environ 40 000 de ces molécules. Mieux encore, les chercheurs ont pu identifier 34 nouveaux MOF d’intérêt dans le domaine de la capture de CO2.
100 000 MOF passés au crible
« Jusqu’ici, la base de données (baptisée Computation-ready, experimental MOF (Core-MOF), ndlr) était principalement composée d’informations sur la structure, la manière dont sont agencés les atomes dans l’espace, des différents MOF », explique François-Xavier Coudert, co-auteur de l’étude et chercheur à l’Institut de recherche de Chimie Paris. « La majorité des matériaux de la base de données n’a pas été caractérisée pour l’ensemble de leurs propriétés. Souvent, ils sont caractérisés pour les quelques propriétés que le chercheur a en tête lors de leur création. Et finalement, on a très peu d’informations sur les matériaux de la base ».
Dans un premier temps, les chercheurs ont extrait de Core-MOF les données des 100 000 MOF que contient la base. Ils se sont ensuite attelés à repérer et corriger d'éventuelles erreurs sur la structure des MOF à l'aide d'un algorithme basé sur du machine learning.Cette mise à jour d'ampleur a concerné 40 000 MOF de la base de données, et s'est accompagnée de la détermination de propriétés supplémentaires. Des simulations ont ainsi été menées, notamment pour déterminer l’hydrophobie des matériaux, une propriété majeure des MOF pour la capture de gaz. Ce sont ainsi environ 40 000 « fiches d’identité » de MOF qui ont été enrichies d’informations cruciales pour déterminer leurs applications possibles.
Une automatisation bienvenue
Jusqu’alors, il était déjà possible pour les chercheurs de comparer les MOF entre eux et d'en prédire de nouvelles caractéristiques. C’est l'automatisation de ce processus que François-Xavier Coudert et ses collègues ont développé. Celui-ci était auparavant chronophage et peu précis. Les chimistes à l'origine de la synthèse de nouveaux MOF devaient, à chaque nouvelle entrée dans la base de données, effectuer manuellement les comparaisons, détaille François-Xavier Coudert.
« Nous avons développé une méthode d’analyse topologique automatique et systémique. Habituellement, c’était plutôt les chercheurs qui étudiaient la structure et reconnaissaient, généralement d’après leurs connaissances personnelles, les topologies similaires », explique-t-il. « Une base de données enrichie d’informations allant au-delà de propriétés primaires est utile par exemple pour les personnes qui découvrent un matériau d’une topologie qui, d’après eux, lui conférerait certaines propriétés. Il serait alors possible de comparer ce matériau avec d’autres matériaux aux topologies similaires ».
De nouveaux candidats à la capture de CO2 identifiés
Mieux encore, les travaux de François-Xavier Coudert et de ses collègues leur ont permis d’appliquer des véritables filtres de qualité à l’ensemble de Core-MOF. Dans un but assumé de « prouver » l’utilité de cette filtration, les chercheurs ont tenté d'identifier de nouveaux MOF capables de capter du CO2. En filtrant la base de données selon un critère précis, l’adsorption à température variable (TSA), ils ont pu identifier 34 MOF potentiellement capables de meilleures performances pour capturer le CO2 que le CALF-20, un MOF à base de zinc reconnu aujourd’hui dans la communauté scientifique comme la référence pour la capture du CO2 et commercialisé en ce sens depuis 2021. L'équipe de recherche se targue même d’avoir identifié des MOF, à base de zinc ou de cobalt, capables de capturer du CO2 même lorsque celui-ci ne compte que pour 1 % d’un mélange gazeux.
Désormais, la base de données actualisée est en ligne et accessible à toute personne à la recherche de MOF particuliers ou intéressée à l’idée de tester un des 34 candidats potentiels à la capture de carbone. « Notre travail était principalement méthodologique. Le but, c’était de le publier rapidement pour l’ouvrir à la communauté », souligne François-Xavier Coudert. « Avant même la publication, une première version de la base de données était en ligne et était déjà utilisée par des collègues pour leurs propres travaux. Maintenant, au sein de notre équipe, il y a plusieurs collègues qui s’intéressent à la capture de CO2 et qui ont déjà prévu de faire des tests en laboratoire ! »
