Une première parution scientifique avec l'ENS pour Axel Gomez

Ses travaux de chimie publiés dans ACS Catalysis

Mieux comprendre les réactions chimiques de certains composants pour économiser les énergies fossiles et produire des biocarburants ? C’est l’objectif des recherches auxquelles a participé Axel Gomez, élève en 3e année au département de chimie de l’ENS. Ces travaux font aujourd’hui l’objet d’une publication associée à l’ENS-PSL dans la revue scientifique ACS Catalysis, la première d’Axel Gomez.
axel gomez
Axel Gomez à son bureau de confinement

Comprendre la structure des zéolithes pour produire des molécules énergétiques

C’est au cours de son stage de 3e année de licence à IFP Énergies Nouvelles (IFPEN)1 auprès de Céline Chizallet, qu’Axel Gomez a eu l’opportunité de participer au projet Laureline Treps, sur l’étude des zéolithes. L’article publié dans ACS Catalysis résulte de ce travail.

« Nous avons étudié les zéolithes. Il s’agit de solides composés d’alumine et de silice qui sont utilisés à l’échelle industrielle (raffinage, pétrochimie, transformation de la biomasse, dépollution automobile…) comme catalyseur. On a cherché à comprendre comment les conditions d’utilisation industrielle modifient les zéolithes, quelles structures, quels enchaînements d’atomes vont être présents en surface et pourront participer à des réactions chimiques. » explique Axel Gomez.

L’acidité de certains groupes de zéolithes, notamment ceux impliquant des atomes d’aluminium, est une propriété très utilisée. Elle permet aux zéolithes d’activer certaines réactions d’isomérisation2 par exemple. Avec Laureline Treps, doctorante au moment du stage d’Axel, ils se sont concentrés sur des surfaces cristallines d’une zéolithe couramment utilisée dans l’industrie et ont cherché à déterminer la stabilité et la force des sites acides.

Les zéolithes sont impliquées dans le vaste réseau de réactions permettant la production de molécules énergétiques, leurs applications sont surtout dans le domaine du raffinage et de la pétrochimie. « En ayant une meilleure idée de la structure des zéolithes, on peut imaginer rationaliser les réactions chimiques lorsque ces nano-cristaux sont présents. On peut comprendre quel chemin réactionnel va être privilégié grâce aux zéolithes, quelles réactions vont vraiment se produire, à quelle vitesse » explique Axel Gomez.

zéolithes
Cristaux de zéolithe, vus au microscope électronique

Vers la production de biocarburants à partir de matière organique

Durant son stage, l’étudiant-chercheur a également étudié les mécanismes réactionnels de production d’énergie des zéolithes, avec un autre doctorant, Jérôme Rey. En croisant ces recherches avec celles menées par Laureline Treps, « il devient alors possible d’adapter la structure de la zéolithe à l’objectif recherché de manière éclairée. Axel Gomez détaille : dans un monde où les ressources énergétiques fossiles sont loin d’être inépuisables, cela peut permettre, à partir d’hydrocarbures (de pétrole par exemple) de produire plus de molécules utilisées par l’Homme, d’avoir moins de sous-produits inutilisés ou des produits peu efficaces énergétiquement. » Ces procédés peuvent également être adaptés à la production de biocarburants à partir de sources très disponibles : de la matière organique, des déchets verts par exemple, et non des ressources fossiles qu’il faut prélever en profondeur dans le sol. Dans l’industrie, ces mêmes zéolithes sont aussi envisagées comme intermédiaires chimiques pour la transformation de molécules oxygénées...

Pour cerner les échelles moléculaire et atomique du monde, la chimie offre un grand nombre de moyens, mais observer comment bougent réellement les atomes n’est pas simple. Pour y parvenir, Axel Gomez s’appuie sur des principes de chimie théorique et réalise des simulations qui permettent de voir les atomes et les molécules dans cet environnement simulé. Ces expériences numériques, avec leurs paramètres et approximations contrôlées, apportent des informations différentes de celles en laboratoires, plus traditionnellement associées à l’image de la recherche en chimie. Axel en stage de M2 à l’ENS-PSL indique ainsi : « Avec Damien Laage, du département de chimie au laboratoire PASTEUR., je m’intéresse actuellement à différents systèmes, le proton H+ dans l’eau. J’ai aussi étudié la solvatation dans l’ammoniac liquide des métaux alcalins tels que le lithium, sodium et potassium l’an dernier, en stage de M1 à Prague, avec Pavel Jungwirth, de l’Institut de chimie organique et de biochimie (IOCB) de l'Académie tchèque des sciences (Czech Academy of Sciences). ».

 

« Un plaisir de comprendre le fonctionnement de ce qui nous entoure »

Pour Axel Gomez, c’est le genre de recherches qu’il a menées jusque-là qui contribuent à rendre la chimie fascinante. « Elle intervient dans de nombreux domaines : l’énergie, la santé, les objets biologiques à l’échelle moléculaire, etc. C’est la science de la matière, des transformations, ce qui est très large et que je trouve vraiment intéressant. J’ai choisi la chimie pour acquérir les bases moléculaires du fonctionnement du monde et je me suis orienté vers la recherche en réalisant qu’il y avait énormément de questions ouvertes sur les objets chimiques. Ces questions peuvent même porter sur des objets en apparence extrêmement simples comme l’eau, ou plus complexes comme peuvent l’être certains médicaments. Toutes n’ont pas nécessairement d’applications immédiates mais cela ne me dérange pas car c’est un plaisir de comprendre le fonctionnement de ce qui nous entoure. »

S’il se destinait d’abord au métier de vétérinaire, c’est en classe préparatoire BCPST (Biologie, Chimie, Physique et Sciences de la Terre) qu’Axel Gomez s’est découvert une passion pour les sciences fondamentales. « J’avais fait beaucoup de biologie mais je souhaitais comprendre plus en détail le fonctionnement de la matière à des échelles atomiques, moléculaires. » Actuellement en 3e année au département de Chimie de l’ENS-PSL, il suit en parallèle le Master 2 de chimie de Paris Centre (Sorbonne Université, PSL), parcours CAPT (Chimie analytique, physique et théorique).

Pour Axel, le chemin de la recherche demande beaucoup d’investissement personnel. Comme il est souvent parsemé d’obstacles qui paraissent infranchissables, il est indispensable d’être à la fois curieux et patient. « Pour trouver des éléments de réponses à certaines questions, et convaincre la communauté scientifique de la validité de nos conclusions, il faut avoir le courage de s’intéresser à une question très en détail, de batir une argumentation solide et détaillée». Mais loin de regretter son choix, il conclut avec enthousiasme : « en chimie comme dans d’autres disciplines, la satisfaction de comprendre un peu plus un aspect du monde qui nous entoure vaut largement tous ces efforts. »

1 IFPEN est le successeur de l’Institut français du pétrole (IFP).

2 L’isomérisation est la transformation d’un composant chimique en un isomère, c’est-à-dire en un composant qui est formé de mêmes éléments dans les mêmes proportions, mais qui présente des propriétés différentes. Exemple : L'isomérisation du glucose en fructose.

 

Environment, Stability and Acidity of External Surface Sites of Silicalite-1 and ZSM-5 Micro and Nano Slabs, Sheets, and Crystals
Auteurs : Laureline Treps, Axel Gomez, Theodorus de Bruin et Céline Chizallet ACS Catalysis, 23 janvier 2020