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Une meilleure façon de faire des produits chimiques?

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Une technique d’observation des processus de synthèse mécanochimique pourrait donner un nouvel essor à la chimie verte
Publié: 3 Déc 2012

Les solvants en vrac, produits employĂ©s couramment au sein de l’industrie chimique, constituent une menace sĂ©rieuse pour la santĂ© humaine et l’environnement. Le poids de cette menace suscite un intĂ©rĂŞt grandissant pour la mĂ©canochimie – une mĂ©thode Ă©coĂ©nergĂ©tique de remplacement oĂą les rĂ©actions sont produites par le broyage Ă  haute frĂ©quence des composĂ©s. Toutefois, comme le broyage repose sur de violents impacts  de boulets d’acier contenus dans des cuves soumises Ă  de rapides vibrations, les rĂ©actions chimiques sous-jacentes sont difficiles Ă  observer.

Pour la première fois, des scientifiques ont Ă©tudiĂ© une rĂ©action de broyage en temps rĂ©el Ă  l’aide de rayons X Ă  forte pĂ©nĂ©tration qui leur ont permis d’observer les changements extrĂŞmement rapides survenus lorsque le broyeur a mĂ©langĂ©, moulu et transformĂ© des ingrĂ©dients simples pour en faire un produit complexe. Les rĂ©sultats de cette Ă©tude, qui ont fait l’objet d’un article publiĂ© le 2 dĂ©cembre 2012 dans la revue spĂ©cialisĂ©e Nature Chemistry, pourraient permettre aux scientifiques de mieux comprendre les processus fondamentaux sur lesquels reposent les industries pharmaceutique, mĂ©tallurgique, cimentière et minĂ©rale – et ouvrir la voie Ă  de nouveaux projets dans les domaines de la chimie verte et de l’étude des processus de synthèse chimique plus respectueux de l’environnement. 

L’équipe internationale – dirigĂ©e par Tomislav Friščić, de l’UniversitĂ© McGill, et Ivan Halasz, de l’UniversitĂ© de Zagreb, en Croatie – Ă©tait composĂ©e de chercheurs de l’UniversitĂ© de Cambridge, de l’Institut Max-Planck pour la recherche sur l’état solide, de Stuttgart, en Allemagne, et de l’Installation europĂ©enne de rayonnement synchrotron (ESRF), de Grenoble, en France.

Si une action mĂ©canique peut entraĂ®ner la rupture des liaisons chimiques – comme c’est le cas avec l’usure des fibres textiles – la force mĂ©canique peut Ă©galement intervenir dans la synthèse de nouveaux composĂ©s et matĂ©riaux chimiques. Au cours des dernières annĂ©es, le broyage Ă  boulets a gagnĂ© en popularitĂ© pour la production de produits chimiques complexes. Au cours du processus de fabrication, les boulets d’acier sont mĂŞlĂ©s aux rĂ©actifs et aux catalyseurs dans une cuve soumise Ă  de rapides vibrations. Les transformations chimiques se produisent au point de contact entre les boulets, lĂ  oĂą l’impact crĂ©e instantanĂ©ment des « points chauds Â» sous l’effet de la chaleur et de la pression. Ce phĂ©nomène est difficile Ă  modĂ©liser et, sans une observation appropriĂ©e des rĂ©actions en temps rĂ©el, les processus mĂ©canochimiques ne peuvent ĂŞtre Ă©lucidĂ©s.

« Le dĂ©fi auquel nous avons Ă©tĂ© confrontĂ©s consistait Ă  observer l’ensemble de la rĂ©action sans toutefois l’interrompre ni perturber les intermĂ©diaires rĂ©actionnels de courte durĂ©e qui apparaissent et disparaissent sous l’effet des impacts continus en moins d’une minute Â», prĂ©cise Tomislav Friščić, professeur adjoint au DĂ©partement de chimie de l’UniversitĂ© McGill.

L’équipe de chercheurs a choisi d’étudier la synthèse mĂ©canochimique de la structure organomĂ©tallique ZIF-8 Ă  partir des composĂ©s non toxiques les plus simples. Les matĂ©riaux tels que la ZIF-8 gagnent rapidement en popularitĂ© en raison de leur capacitĂ© Ă  capter de grandes quantitĂ©s de CO2. FabriquĂ©s Ă  faible coĂ»t et de façon durable, leur usage pourrait se gĂ©nĂ©raliser pour la capture et le stockage du carbone, la catalyse et mĂŞme le stockage de l’hydrogène. 

« L’équipe s’est tournĂ©e vers l’ESRF, car notre Ă©tablissement est dotĂ© d’appareils Ă  rayons X capables de traverser les Ă©paisses parois de 3 mm d’une cuve Ă  rĂ©action en acier, en aluminium ou en plastique soumise Ă  des vibrations extrĂŞmement rapides. Le faisceau de rayons X doit pouvoir pĂ©nĂ©trer Ă  l’intĂ©rieur de la cuve pour sonder la synthèse mĂ©canochimique de la ZIF-8, puis dĂ©celer les changements qui surviennent au cours du processus Â», explique Simon Kimber, chercheur Ă  l’ESRF et membre de l’équipe. Cette mĂ©thode rĂ©volutionnaire a permis aux scientifiques d’observer en temps rĂ©el la rĂ©action cinĂ©tique, les intermĂ©diaires rĂ©actionnels et la formation de leurs nanoparticules respectives.

En principe, les scientifiques pourraient recourir Ă  cette technique pour l’étude de tous les types de rĂ©actions chimiques survenant dans un broyeur Ă  boulets et les optimiser aux fins d’utilisation dans une multitude d’industries. « Ce serait une bonne chose pour l’environnement, l’industrie et les consommateurs », conclut le professeur Friščić.

Les chercheurs ont reçu l’appui des organismes suivants : le Fonds Herchel Smith; le Conseil britannique/Office allemand d’échanges universitaires; l’ESRF; le Centre de formation doctorale en nanoscience et technologie de Cambridge; l’UniversitĂ© de Cambridge; le ministère des Sciences, de l’Éducation et des Sports de la RĂ©publique de Croatie; l’UniversitĂ© McGill; et le Centre de chimie verte et catalyse du Fonds de recherche du QuĂ©bec – Nature et technologies.

IMAGE: Montage Ă  l’ESRF Ă  Grenoble (France) avec la cuve de broyage contenant la ZIF-8 blanche Ă  l’avant, sur un broyeur industriel modifiĂ©. (T. Friščić) 

 

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