Grégory Nocton récompensé par la Société chimique de France

En bas du tableau périodique, la fameuse classification des éléments chimiques entamée par Mendeleïev, se trouvent deux lignes. Les familles des lanthanides et des actinides. Des éléments que Grégory Nocton connaît bien. Aujourd’hui au Laboratoire de chimie moléculaire (LCM*), il a fait sa thèse sur la chimie de l’uranium, un actinide. Les lanthanides sont désormais au cœur des travaux de ce chercheur, qui a déjà reçu la médaille de bronze du CNRS. Dysprosium, erbium, thulium…ces métaux sont également connus sous le nom de terre rares. « Ce sont des éléments f, explique-t-il. C’est un jargon de chimiste pour décrire comment les électrons s’agencent autour du noyau en différentes couches désignées par les lettres s, p, d, f. » Les éléments f remplissent la couche du même nom, ce qui explique leurs propriétés chimiques.

Assemblages organométalliques

Cependant, comme l’indique le nom de son laboratoire, ce ne sont pas les matériaux à base d’éléments f qui intéressent Grégory Nocton, mais l’échelle plus fondamentale des molécules. Et plus particulièrement, les molécules « organométalliques » qui combinent des métaux, par exemple des lanthanides, et des espèces chimiques dites organiques car elles forment la base du vivant, tels le carbone, l’oxygène, l’azote, etc. La façon dont les éléments s’accordent avec leur environnement est l’objet d’étude de la chimie de coordination, une spécialité de Grégory Nocton. « Dans la molécule d’hémoglobine, illustre-t-il, un atome de fer est entouré d’éléments organiques de telle sorte qu’un atome d’oxygène peut venir se coordiner, c’est-à-dire se poser sur l’atome de fer, et donc être transporté dans le corps humain ».

Le spectre des recherches en chimie de coordination des éléments f est large. Une grande partie des travaux de son groupe sont guidés par la curiosité, et non par les applications. « On cherche à faire mieux. Si les chimistes n’ont pas réussi à synthétiser une molécule, on va essayer de le faire. C’est un challenge disciplinaire » met en avant le scientifique. Ainsi, dans un article publié en 2018, son équipe a montré comment synthétiser des molécules organométalliques « en sandwich », des lanthanidocènes, que les chimistes essayaient de fabriquer depuis plus de 50 ans.

Procédés durables et technologies quantiques

S’il tire de la fierté de ces recherches fondamentales, Grégory Nocton ne perd pas pour autant de vue l’autre bout de la chaîne. L’une des applications potentielles consiste à concevoir des molécules organométalliques qui puissent catalyser, c’est-à-dire favoriser, une réaction chimique qui transforment d’autres molécules. Il s’agit par exemple de produire du méthanol à partir du méthane ou du monoxyde de carbone, et ceci en utilisant le moins d’énergie possible. Dans le cadre d’une collaboration, notamment avec Grégory Danoun, également chercheur au LCM, c’est l’obtention d’hydrogène à partir de déchets alimentaires ou plastiques qui est visée. Un procédé qui serait plus écologique que le vaporeformage du méthane, actuellement majoritairement employé.

Les organométalliques à base de lanthanides ne forment pas seulement des catalyseurs, ils peuvent également constituer des molécules-aimant. « D’habitude, l’aimantation résulte d’un ensemble d’atomes. On sait aujourd’hui fabriquer des molécules dans lesquelles un seul atome métallique se comporte comme un aimant à basse température » précise le chimiste. Des molécules à base de thulium présentent de telles propriétés.  La capacité d’éteindre ou d’allumer l’aimantation pourrait faire de ces molécules un support pour des bits, avec un état « 0 » et un état « 1 ». Avec un avantage considérable de miniaturisation pour un éventuel ordinateur moléculaire.

On parle ici d’ordinateur « classique », mais les organométalliques à base de lanthanides peuvent également être placés dans des états de superposition « à la fois 0 et 1 » qui pourraient servir de support à un ordinateur quantique. Ce domaine de recherche à aujourd’hui le vent en poupe et un doctorat débutera bientôt dans son équipe sur ce sujet. Cependant, même si des applications sont à l’horizon, Grégory Nocton ne perd pas de vu ce qui l’anime : « Avant tout, ce sont de belles molécules ! »

Ces recherches sont financées par la bourse ERC Starting Grant « LanAsCat », les bourses ANR  « RelaxMax » et « ReDivaLan », ainsi que par une convention AID (agence innovation défense) portée par Grégory Danoun.

*LCM : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris