Notre programme de recherche se compose de quatre objectifs spécifiques interconnectés, lesquels impliquent les principes fondamentaux et les applications de l’ingénierie des cristaux appliqués à la chimie verte et aux matériaux durables.

Chaque objectif spécifique repose sur des approches de l’ingénierie des cristaux et de la conception de cristaux organiques mises au point par le groupe MacGillivray, et les fait progresser de manière innovante. Les objectifs spécifiques de notre programme de recherche sont de développer, de comprendre et d’exploiter la recherche en ingénierie des cristaux dans quatre domaines clés :

Ingénierie des cristaux pour la chimie verte

Ingénierie des cristaux pour les semi-conducteurs organiques et le stockage moléculaire de l’énergie solaire et thermique

Ingénierie des cristaux pour les innovations en médecine

Intelligence artificielle et apprentissage automatique pour l’ingénierie des cristaux accélérée

Qu’est-ce que l’ingénierie des cristaux?

L’ingénierie des cristaux est une approche moderne de la chimie du solide, dans laquelle nous exploitons notre compréhension des interactions intermoléculaires (par exemple, les liaisons hydrogène, l’empilement $\pi$) pour contrôler l’organisation des molécules dans les solides cristallins.

En fait, nous utilisons ces interactions intermoléculaires pour concevoir et construire des structures cristallines uniques, qui peuvent présenter de nouvelles propriétés ou permettre des réactions chimiques à l’état solide qui seraient autrement improbables ou impossibles en solution. L’ingénierie des cristaux a conduit à la formation de structures multi-composantes composées de divers blocs de construction et s’est imposée comme une approche puissante pour contrôler les propriétés des solides. La nature modulaire de l’ingénierie des cristaux permet de grandes variations dans la composition et fournit un moyen de concevoir des propriétés basées sur la nature chimique et l’identité des blocs de construction individuels.

Parmi les principaux exemples d’ingénierie des cristaux, on peut citer le développement de cocristaux et de charpentes métallo-organiques (MOF). Les charpentes métallo-organiques sont composées d’un ion métallique et d’un ou plusieurs ligands organiques qui servent généralement à relier les ions métalliques dans un solide. Les cocristaux sont des matériaux cristallins composés de deux ou plusieurs composants moléculaires ou ioniques différents, généralement dans un rapport déterminé, qui s’arrangent dans l’espace pour créer une structure cristalline unique qui diffère de celle des blocs de construction individuels.

Une ingénierie des cristaux soignée nous permet d’utiliser des interactions non covalentes pour obtenir des orientations tridimensionnelles spécifiques des blocs de construction, programmées dans le système par l’empilement des cristaux. Cela nous permet de contrôler avec précision les propriétés tridimensionnelles telles que l’optique, la porosité, le magnétisme, la solubilité, la stabilité et la conductivité. Ce contrôle précis de l’orientation et de l’alignement des molécules fournit également une méthode pour guider de manière fiable les réactions chimiques au sein du cristal. Les cristaux organiques peuvent ainsi être utilisés comme des laboratoires chimiques verts permettant la construction ciblée de molécules et de matériaux sur mesure.

La méthode de contrôle de la réactivité à l’intérieur des cristaux organiques est écologique car elle minimise ou élimine l’utilisation des solvants organiques toxiques traditionnels (les réactions chimiques se font généralement sans solvant). Les réactions sont également économiques en atomes (c’est-à-dire que tous les réactifs sont transformés en produits) et hautement sélectives (c’est-à-dire qu’il n’y a pas de sous-produits). De plus, l’énergie utilisée pour les réactions est fournie par la lumière du soleil (c’est-à-dire les rayons ultraviolets) et les composants qui guident les réactions sont des modèles et des catalyseurs recyclables (c’est-à-dire similaires aux enzymes biochimiques). Cette chimie est innovante car l’information géométrique des modèles et des cristaux peut créer des classes entièrement nouvelles de produits chimiques, dont certains viennent d’être découverts naturellement (par exemple, les ladderanes lipidiques).