Deux cadres métallo-organiques (MOF) ont été identifiés qui peuvent séparer efficacement les isotopes de l’eau, faisant ainsi un bond en avant vers la résolution d’un des problèmes classiques de la chimie.

Être capable de séparer les isotopes est vital pour la science moderne, et cela est particulièrement vrai pour les isotopologues – composés avec la même formule chimique mais avec au moins un atome ayant un nombre différent de neutrons – de l’eau. L’eau lourde, par exemple, fabriquée à partir de deutérium (hydrogène avec un neutron), est largement utilisée comme solvant RMN et peut être utilisée en biologie pour étudier la dépense énergétique des systèmes. Il est également utilisé dans certains pays, comme l’Inde et la Chine, comme modérateur de neutrons dans les centrales nucléaires.

Le gant d’une séparation efficace des isotopes a été jeté il y a près de 100 ans, lorsque le prix Nobel de chimie George de Hevesy rêvait d’un moyen «qui permettrait de déterminer le sort des molécules individuelles contenues dans la tasse de thé». Eau (H₂O) et eau lourde (D₂O) sont difficiles à séparer – ne différant que par le nombre de neutrons ; ils ont des points de congélation, des points d’ébullition et des énergies de liaison très similaires. Cela signifie que les méthodes habituelles de séparation, telles que la distillation et l’électrolyse, ne sont pas très efficaces. Cependant, les différents isotopologues ont des taux de diffusion légèrement différents, sur lesquels une équipe dirigée par Cheng Gu de l’Université de technologie de Chine du Sud à Guangzhou, en Chine, et Susumu Kitagawa de l’Université de Kyoto, au Japon, ont sauté dessus.

La stratégie de l’équipe consistait à utiliser deux MOF à base de cuivre, avec des ouvertures « flip-flop » ultra-petites, qui s’ouvrent lorsqu’elles sont chauffées et se ferment lorsqu’elles sont refroidies, bloquant ainsi le mouvement. Cela crée effectivement une série de passerelles régulées par diffusion traversant les structures. Ces MOF ont permis à l’équipe d’amplifier les différences de taux de diffusion entre les différents isotopologues. L’équipe a fait passer de la vapeur d’eau à travers les structures, avec H₂O étant absorbé beaucoup plus rapidement à travers les ouvertures, par rapport aux autres isotopologues, modifiant la structure par un léger chauffage et refroidissement. Lorsque l’équipe a essayé leur isolement à des plages à température ambiante, avec un mélange de vapeur de 95 % de H₂O à 5% D₂O, ils ont pu séparer efficacement les deux fractions.

Ce n’est pas la première fois que des MOF sont utilisés pour séparer des isotopes. Cependant, l’efficacité des cages moléculaires et du système « flip-flop » de l’équipe les a amenés à signaler une séparation isotopique record. «La séparation par adsorption des isotopologues de l’eau dans notre travail est nettement supérieure aux méthodes conventionnelles», déclare Kitagawa, soulignant la sélectivité de la technique à température ambiante. « Nous sommes optimistes que de nouveaux matériaux guidés par nos travaux seront développés pour séparer d’autres isotopologues. »

Juris Meija, agent de recherche au Conseil national de recherches du Canada à Ottawa, décrit le travail comme « une étape vers des moyens abordables de produire de l’eau étiquetée ». Cependant, Meija prévient que la méthode n’a toujours pas été comparée aux meilleures options actuelles, telles que l’électrolyse ou le procédé Geib-Spevack à plusieurs étapes énergivores, qui a été utilisé pour séparer les isotopologues de l’eau depuis les années 1940, en termes de rentabilité et de temps. «L’application des MOF dans ce travail se concentre sur un seul côté de la médaille: les isotopes de l’hydrogène», ajoute Meija. « Je suis surpris que peu soit dit sur le sort des isotopes de l’oxygène, qui est sans doute aussi important que l’hydrogène, et si ce processus peut être adapté à la production de l’eau oxygène-17 très convoitée. »