Le campus verdoyant de l’Institut Lavoisier de Versailles¹ abrite des composés quasi miraculeux ! L’article paru dans Science en 2005 à leur sujet en témoigne, puisqu’il est le plus cité au monde dans les publications scientifiques de chimie² ! De quoi s’agit-il ? « Venez, je vais vous montrer… », invite Gérard Férey, l’œil pétillant et le sourire en coin. Maintenant que cet institut, qu’il a créé ex nihilo il y a près de dix ans, « vole de ses propres ailes », ce membre de l’Académie des sciences a renoncé à le diriger et se consacre au groupe de solides poreux dont il est responsable.
Dans son bureau, sous l’œil complice de Marie Curie, de Frédéric Joliot, et du reste de la célèbre famille de scientifiques, encadrés sur ses murs, il montre une grosse boule, savant assemblage de tiges en plastique. « Nous savons fabriquer des solides cristallins³, hybrides organique-inorganique⁴, dans lesquels se répète, de manière périodique, cette forme : une sorte de grande cage, un trou en somme, d’environ quatre nanomètres de diamètre⁵. C’est dix fois plus gros que ceux des autres laboratoires ! » À l’échelle atomique, ces trous sont en effet gigantesques. Car les atomes, minuscules « billes » qui composent toutes choses, ne mesurent qu’un dixième de nanomètre environ. Un solide dit « poreux » est donc, à l’échelle atomique, l’équivalent d’un gruyère aux trous énormes, très nombreux, et répartis de manière parfaitement régulière.
Mais à quoi servent-ils ? Gérard Férey sourit et explique : « La nature a horreur du vide… Ces trous sont bien sûr faits pour être remplis. » On peut par exemple y piéger et y stocker des gaz comme l’hydrogène ou le dioxyde de carbone (CO₂), dont les rejets trop importants en ont fait l’une des pires menaces pour l’environnement. Mieux encore : confiné dans les trous, ce gaz occupe un volume bien plus faible. Résultat : 1 cm³ d’un MIL (Matériau de l’Institut Lavoisier) composé d’atomes métalliques et de molécules organiques permet de piéger près de 400 cm³ de CO₂ ! « C’est le matériau le plus efficace du marché pour ce gaz-là », insiste Gérard Férey. Que faire ensuite de cette « éponge » gonflée de déchets carbonés ? « Il s’agit de faire réagir les déchets avec un autre produit chimique, au sein même du cristal, pour les rendre non polluants. Et peut-être même les détruire. » Mais le chimiste préfère rester discret : « Un brevet est en cours… »

De l’extérieur à l’intérieur

« Nous avons aussi un brevet d’application pour les molécules médicamenteuses », reprend Gérard Férey. « Elles ont toujours de grandes dimensions. » Avec leurs gros trous, les MIL sont donc les seuls solides poreux à pouvoir prétendre les stocker. Avant de les relarguer dans l’organisme. Alors, bientôt une seule pilule à avaler et qui délivrera petit à petit un mois de traitement ? « C’est l’idée oui… Le gain en confort du malade serait appréciable. L’industrie pharmaceutique est très intéressée… », lâche le chimiste encore tenu au secret. Mais le plus étonnant vient ensuite : « Nous venons de publier un article dans Science⁶ sur des composés capables de gonfler de 300 % ! Leur structure en forme de “cage” peut s’élargir considérablement. Puis retourner à l’état initial ! », s’enthousiasme-t-il. Les applications de ces réservoirs hautement extensibles ? Très prometteuses mais absolument top secrètes… « L’important, c’est que nous avons expliqué le pourquoi de notre résultat », insiste Gérard Férey. Cette approche tranche avec la chimie classique qui consiste surtout à mélanger des composants, voir ce qui se passe, tâtonner… et, si un résultat est obtenu, le publier. « En créant l’Institut Lavoisier, je voulais faire une chimie ciblée pour des applications ciblées. Grâce à notre groupe de résonance magnétique nucléaire (RMN), nous sommes actuellement les seuls au monde à développer des méthodes in situ pour voir comment – et pourquoi – les produits désirés se forment pendant la réaction. » Ensuite, ces rois du design à l’échelle moléculaire peuvent pratiquement « jouer » au Lego. Avec les briques élémentaires observées pendant les réactions, ils imaginent et conçoivent les assemblages tridimensionnels dont ils rêvent, simulent numériquement tous les arrangements possibles en fonction des affinités entre atomes, avant de synthétiser les composés miracles.
François Couty, directeur adjoint de l’Institut Lavoisier, « joue » aussi au Lego moléculaire, mais avec des molécules organiques. « En fonction des affinités entre atomes, nous imaginons les différentes étapes pour synthétiser “brique après brique” un composé », explique le chercheur. « Nous pouvons partir d’un produit chimique de base, simple et peu cher, pour reproduire une molécule biologiquement active et déjà connue, mais trop coûteuse à extraire de la nature. » Bel exemple de réussite de l’équipe : la synthèse de cyclopeptides, drôles de molécules circulaires, d’ordinaire isolées à partir de feuilles, racines et graines de différentes plantes, et connues pour leurs vertus sédatives, antibactériennes… en médecine asiatique et sud-américaine. Autre molécule, enjeu de grandes avancées, le TMC-95, un anticancéreux prometteur par son mode d’action original, également très coûteux à produire. « Un jeune chercheur de notre équipe, Gwilherm Evano, médaille de bronze au CNRS cette année, a reçu une bourse de l’Agence nationale de la recherche (ANR) pour développer nos techniques sur ce sujet », souligne le directeur adjoint.

Une chimie plus verte
Dans cet institut où la moyenne d’âge des chercheurs ne dépasse pas quarante ans, on se soucie aussi beaucoup de l’environnement. « La chimie a mauvaise réputation », commente François Couty, en surveillant un ballon de caoutchouc orange où s’achève une synthèse. « Nous essayons donc de respecter une charte de “12 règles de chimie verte” que nous avons fixées. » Par exemple, réduire la quantité de solvant, ce liquide, souvent très polluant, où doivent « baigner » les réactifs à utiliser. « Pour un gramme de réactif, il en faut soixante de solvant ! », explique justement Régis Goumont, du groupe « Réactivité et catalyse ». « Notre équipe essaie de remplacer les solvants ordinaires par un liquide ionique, chargé électriquement, biodégradable et réutilisable, préparé par activation micro-ondes. » Ces ondes, de haute puissance, utilisées en milieu clos, permettent non seulement de réduire d’un facteur dix la quantité de solvant mais aussi d’abaisser la durée et la température nécessaires à la réaction. Autre avantage de ces nouveaux chemins réactionnels : il se forme moins de produits secondaires, inutiles et polluants. Dans le même département, Emmanuel Magnier se concentre quant à lui sur le fluor. « Cet élément chimique, totalement absent du corps humain, est un très bon marqueur pour suivre les molécules », explique le chercheur. Son équipe s’applique donc à « enrichir » des principes actifs déjà connus avec des atomes de fluor, toujours façon Lego. Cela pourrait permettre d’affiner certains traitements et médicaments. D’autant que l’apport de fluor améliore souvent l’efficacité des médicaments et leur arrivée jusqu’à leur cible, notamment en les protégeant de la digestion. « Nous avons ainsi synthétisé un analogue fluoré du Faslodex (Fulvestrant), médicament anticancéreux actuellement sur le marché », ajoute Emmanuel Magnier.

Le palais des nano-objets

Loin des « architectes » moléculaires, Arnaud Etcheberry, autre directeur adjoint de l’Institut et responsable du groupe « Physicochimie et électrochimie aux interfaces », fait réagir grâce à l’électrochimie, à – 55 °C, de l’ammoniac liquide sur des petits rectangles de phosphure d’indium, un matériau très utilisé en optoélectronique. Résultat de cette approche unique au monde : une surface tapissée de magnifiques circonvolutions, façon coraux, associés à du phosphure d’indium poreux. Le but ? La croissance de fils nanométriques et de nombreuses applications à venir en électronique. Pour observer les résultats de ce type de « manip », il faut monter au deuxième étage. Là, trône la XPS de l’Institut Lavoisier, énorme machine à rayons X, capable de balayer les surfaces et d’analyser leur composition. « Notre centre de spectroscopie en aura quatre dans un an, avec une résolution de 12 nanomètres », commente Francis Sécheresse, directeur de l’Institut depuis trois ans. « Ce sera en Europe le seul centre de cette envergure piloté par des chimistes », souligne-t-il. « À l’avenir, notre société sera de plus en plus envahie de micro- et nano-objets, qui seront le siège ou les acteurs de réactions chimiques complexes. La chimie de surface pour étudier ce type d’objet va donc devenir un enjeu de plus en plus grand », prédit Francis Sécheresse. Pari gagné pour cet institut original et créatif : entre les deux « monstres » de la région, l’université Paris-VI, au cœur de Paris, et Paris-Sud-XI, à Orsay, il a réussi à se faire une place de choix dans le paysage de la recherche française.

Charline Zeitoun