Cette discipline examine les matériaux poreux, leur structure spécifique et leurs applications en catalyse et filtration.
La porosité d'un matériau se définit par le rapport entre le volume des vides internes, ou pores, et le volume total du matériau, exprimé par la formule
\[
\varphi ={\frac {V_{\mathrm {pores} }}{V_{\mathrm {total} }}}
\]
où \(\varphi\) représente la porosité, \(V_{\mathrm{pores}}\) le volume des pores, et \(V_{\mathrm{total}}\) le volume global du matériau, c'est-à-dire la somme du volume de solide et du volume des pores. Cette grandeur physique varie donc entre 0 et 1, ou en pourcentage entre 0 et 100 %[1]. Cette définition simple masque une complexité considérable liée à la nature, la taille, la forme et l'interconnexion des pores qui conditionnent directement les propriétés physico-chimiques des matériaux poreux.
Les matériaux poreux sont majoritairement solides mais peuvent aussi inclure des liquides poreux ou des assemblages granulaires comme des tas de grains ou poudres. La chimie des matériaux poreux s’intéresse notamment aux interactions fluides-matériaux dans ces volumes internes accessibles ou non.
La classification fonctionnelle distingue la porosité primaire (ou porosité de pores), associée à des pores dont les dimensions sont comparables dans les trois directions spatiales. Par exemple, dans une roche sédimentaire comme un sable ou un gravier, ces pores correspondent aux interstices entre grains. À l’inverse, la porosité secondaire (ou porosité de fissures) correspond à des espaces vides dont la dimension dans une direction de l'espace est nettement inférieure à celles dans les deux autres. Ces fissures résultent fréquemment de contraintes mécaniques ou thermiques survenues au cours du temps ou lors d’interventions humaines telles que la fracturation hydraulique visant à augmenter la « porosité de fracture » de formations géologiques[1].
Cette distinction impacte directement les propriétés d’écoulement et de rétention des fluides. Une forte porosité secondaire augmente la vitesse de transit du fluide et diminue les capacités de filtration/rétention du substrat. Cela a des conséquences notables dans l’industrie pétrolière où l’augmentation ciblée de cette macro-porosité améliore l’extraction. En métallurgie, le frittage permet aussi de générer des métaux poreux avec une porosité maîtrisée au niveau microstructural.
La taille caractéristique des pores détermine leur rôle fonctionnel dans le matériau. L’IUPAC définit trois grandes classes :
- Microporosité : pores dont le diamètre n’excède pas les 2 nanomètres (nm)
- Mésoporosité : pores avec un diamètre compris entre 2 et 50 nanomètres
- Macroporosité : pores dont le diamètre est supérieur à 50 nanomètres
Dans le contexte pédologique, ces seuils sont décalés vers une échelle plus macroscopique :
- Micropores jusqu’à 2 micromètres (µm)
- Mésopores entre 2 µm et 50 µm
- Macropores supérieurs à 50 µm
Cette variation traduit l’adaptation aux phénomènes hydriques et biologiques spécifiques aux sols[1].
La porosité multimodale combine plusieurs types de tailles pour former un réseau complexe où chaque classe joue un rôle distinct. Par exemple, dans les sols perméables structurés uniformément, la macroporosité permet l’écoulement rapide de l’eau libre (eau de gravité), tandis que la microporosité retient l’eau capillaire disponible pour les plantes[1]. Le comportement hydrique dépend ainsi fortement du degré d’interconnexion et du volume relatif de chaque catégorie.
Les matériaux chromatographiques exploitent intensivement la porosité pour maximiser leur surface interne accessible aux molécules cibles. Les charbons actifs proviennent souvent du bois, de noix de coco ou de houille ; ils conservent une micro-mésoporosité héritée du matériau d’origine ce qui génère une surface spécifique très élevée pouvant dépasser plus de 1000 m²/g[1]. Cette surface favorise les interactions physico-chimiques nécessaires pour l’adsorption sélective.
Les résines échangeuses d’ions ou gels polymériques présentent une porosité constituée par l’espace inter-chaînes polymériques réticulées (exemples classiques : polystyrène-divinylbenzène). Leur porosité peut atteindre 80 % du volume total du grain ce qui facilite le transport moléculaire interne via ces espaces libres[1]. La création volontaire de macropores lors de la polymérisation sert à former des canaux larges (« autoroutes ») améliorant encore plus rapidement le transfert vers ces zones internes.
La chimie spécifique des surfaces internes conditionne autant que la géométrie globale les performances fonctionnelles. Les matériaux poreux jouent un rôle clé dans plusieurs domaines industriels :
- Stockage d’énergie sous forme gazeuse ou liquide grâce à leur capacité volumétrique élevée liée à leur forte porosité[2].
- Purification d’eau par adsorption de polluants sur surfaces actives.
- Catalyse hétérogène via un grand nombre de sites accessibles répartis sur toute la surface interne[4].
L’Institut des Matériaux Poreux de Paris développe notamment des Metal–Organic Frameworks (MOFs), structures cristallines hybrides combinant métal et ligands organiques pour offrir une surface interne modulable avec applications en énergie, environnement et santé[3].
Une limite traditionnelle des matériaux poreux cristallins réside dans leur fragilité mécanique due à leur architecture ouverte. Des travaux récents ont permis d’obtenir des cristaux plus solides sans sacrifier leur porosité intrinsèque[5]. Ces avancées ouvrent des perspectives nouvelles en chimie fine où stabilité chimique doit s’accompagner d’une résistance mécanique suffisante pour usage industriel intensif.
La chimie des matériaux poreux conjugue maîtrise structurale multi-échelle, depuis le nano au macro, avec contrôle chimique fin permettant d’adapter spécificités fonctionnelles selon usages ciblés (stockage énergétique, catalyse, purification). La compréhension précise du lien entre géométrie poreuse, taille, forme, distribution, et propriétés physico-chimiques reste essentielle au développement optimal de nouveaux matériaux performants.
[1] https://fr.wikipedia.org/wiki/Porosit%C3%A9
[2] https://imazpress.com/france-monde/stockage-de-l-energie-et-materiaux-poreux-en-vue-pour-le-nobel-de-chimie
[3] https://www.linkedin.com/company/institut-des-mat%C3%A9riaux-poreux-de-paris-imap/
[4] https://www.carnot-mica.fr/secteurs/polymeres/
[5] https://www.letemps.ch/sciences/le-nobel-de-chimie-couronne-la-decouverte-de-materiaux-poreux-aux-applications-environnementales-decisives?srsltid=AU7gw4U3ELUDqjL6_qKgIDIqAixmjrKy13jpQJznH44CzgqdOIaAOrh3
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