Origine moléculaire de la dynamique lente d’hydrocarbures nano-piégés

Simulation moléculaire et RMN 2d pour élucider les mécanismes de diffusion.

La ZIF-8 (zeolitic-imidazole frameworks) est l’un des matériaux poreux les plus remarquables de la famille des solides de type Metal-Organic framework (MOF) en termes de stabilité chimique/thermique et de comportement unique pour le transport et l’adsorption de gaz. En effet cette dernière est constituée de petites cages de 3.4 Å interconnectées par des « fenêtres » (voir Figure). C’est la flexibilité de ces fenêtres   qui procure à ce matériau des propriétés de séparation de gaz extrêmement intéressantes. Parmi les applications possibles, la ZIF-8 est actuellement considérées comme un matériau prometteur pour la séparation de gaz et d’hydrocarbures. Afin d’optimiser les processus de séparation et d’adsorption il est donc fondamental de bien comprendre les processus de diffusion de ces hydrocarbures à travers ces nanopores. Malheureusement les mécanismes microscopiques de diffusion restaient à ce jour insaisissables par les approches conventionnelles étant donnée la nature diffusive extrêmement lente des molécules d’alcanes nano-piégées. En combinant la technique de 2H-RMN-2d et de simulation de type dynamique moléculaire nous avons pu étudier la dynamique lente de molécules de n-butane et 1-butene dans la ZIF-8.  Nous avons ainsi identifié la présence de deux sites d’adsorption et caractérisé finement la diffusion translationnel intercage via la fenêtre d’un point de vue atomistique. Ce travail souligne ainsi la pertinence de la combinaison d’expériences conventionnelles comme la RMN et de techniques de simulations moléculaires afin de lever certains verrous scientifiques à l’échelle atomistique.  Ce travail a été publié dans ACS Applied Materials and Interfaces (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c08529).