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  • Nouvelle technologie photovoltaïque auto-assemblée qui se répare

    Cette version de preuve de concept de la cellule photoélectrochimique, qui a été utilisé pour les tests de laboratoire, contient une solution photoactive constituée d'un mélange de molécules auto-assemblantes (dans un cylindre de verre maintenu en place par une pince métallique) avec deux électrodes dépassant du haut, l'un en platine (le fil nu) et l'autre en argent (dans un tube de verre). Crédit photo :Patrick Gillouly

    Les plantes sont douées pour faire ce que les scientifiques et les ingénieurs s'efforcent de faire depuis des décennies :convertir la lumière du soleil en énergie stockée, et le faire de manière fiable jour après jour, année après année. Aujourd'hui, certains scientifiques du MIT ont réussi à imiter un aspect clé de ce processus.

    L'un des problèmes avec la récolte de la lumière du soleil est que les rayons du soleil peuvent être très destructeurs pour de nombreux matériaux. La lumière du soleil entraîne une dégradation progressive de nombreux systèmes développés pour l'exploiter. Mais les plantes ont adopté une stratégie intéressante pour résoudre ce problème :elles décomposent constamment leurs molécules de capture de lumière et les réassemblent à partir de zéro, donc les structures de base qui captent l'énergie du soleil sont, en effet, toujours tout neuf.

    Ce processus a maintenant été imité par Michael Strano, le professeur agrégé Charles et Hilda Roddey de génie chimique, et son équipe d'étudiants diplômés et de chercheurs. Ils ont créé un nouvel ensemble de molécules auto-assemblantes qui peuvent transformer la lumière du soleil en électricité; les molécules peuvent être décomposées à plusieurs reprises puis réassemblées rapidement, simplement en ajoutant ou en supprimant une solution supplémentaire. Leur article sur le travail a été publié le 5 septembre dans Chimie de la nature .

    Strano dit que l'idée lui est venue pour la première fois lorsqu'il lisait sur la biologie végétale. « J'ai été vraiment impressionné par la façon dont les cellules végétales disposent de ce mécanisme de réparation extrêmement efficace, " il dit. En plein soleil d'été, « une feuille d'arbre recycle ses protéines toutes les 45 minutes environ, même si vous pourriez le considérer comme une cellule photoélectrique statique.

    L'un des objectifs de recherche à long terme de Strano a été de trouver des moyens d'imiter les principes trouvés dans la nature en utilisant des nanocomposants. Dans le cas des molécules utilisées pour la photosynthèse chez les plantes, la forme réactive de l'oxygène produit par la lumière du soleil fait échouer les protéines de manière très précise. Comme Strano le décrit, l'oxygène "défait une attache qui maintient la protéine ensemble, » mais les mêmes protéines sont rapidement réassemblées pour relancer le processus.

    Cette action se déroule à l'intérieur de minuscules capsules appelées chloroplastes qui résident à l'intérieur de chaque cellule végétale - et c'est là que se produit la photosynthèse. Le chloroplaste est « une machine incroyable, ", dit Strano. « Ce sont des moteurs remarquables qui consomment du dioxyde de carbone et utilisent la lumière pour produire du glucose, ” un produit chimique qui fournit de l'énergie pour le métabolisme.

    Pour imiter ce processus, Strano et son équipe, soutenu par des subventions de la MIT Energy Initiative, le Eni Solar Frontiers Center du MIT et le Department of Energy, produit des molécules synthétiques appelées phospholipides qui forment des disques ; ces disques fournissent un support structurel à d'autres molécules qui répondent réellement à la lumière, dans des structures appelées centres réactionnels, qui libèrent des électrons lorsqu'ils sont frappés par des particules de lumière. Les disques, portant les centres réactionnels, sont dans une solution où ils s'attachent spontanément aux nanotubes de carbone - des tubes creux en forme de fil d'atomes de carbone de quelques milliardièmes de mètre d'épaisseur mais plus résistants que l'acier et capables de conduire l'électricité mille fois mieux que le cuivre. Les nanotubes maintiennent les disques de phospholipides dans un alignement uniforme de sorte que les centres de réaction puissent tous être exposés à la lumière du soleil en même temps, et ils agissent également comme des fils pour collecter et canaliser le flux d'électrons libérés par les molécules réactives.

    Le système que l'équipe de Strano a produit est composé de sept composés différents, dont les nanotubes de carbone, les phospholipides, et les protéines qui constituent les centres réactionnels, qui, dans les bonnes conditions, s'assemblent spontanément en une structure de récolte de lumière qui produit un courant électrique. Strano dit qu'il pense que cela établit un record pour la complexité d'un système d'auto-assemblage. Lorsqu'un tensioactif - similaire en principe aux produits chimiques que BP a pulvérisés dans le golfe du Mexique pour briser le pétrole - est ajouté au mélange, les sept composants se séparent tous et forment une solution de soupe. Puis, lorsque les chercheurs ont retiré le surfactant en poussant la solution à travers une membrane, les composés se sont spontanément assemblés à nouveau en un ensemble parfaitement formé, cellule photoélectrique rajeunie.

    "Nous imitons essentiellement des astuces que la nature a découvertes au cours de millions d'années" - en particulier, "réversibilité, la capacité de se séparer et de se réassembler, ", dit Strano. L'équipe, qui comprenait le chercheur postdoctoral Moon-Ho Ham et l'étudiant diplômé Ardemis Boghossian, a conçu le système sur la base d'une analyse théorique, mais a ensuite décidé de construire un prototype de cellule pour le tester. Ils ont fait subir à la cellule des cycles répétés de montage et de démontage sur une période de 14 heures, sans perte d'efficacité.

    Strano dit qu'en concevant de nouveaux systèmes pour produire de l'électricité à partir de la lumière, les chercheurs n'étudient pas souvent comment les systèmes changent au fil du temps. Pour les cellules photovoltaïques conventionnelles à base de silicium, il y a peu de dégradation, mais avec de nombreux nouveaux systèmes en cours de développement - soit à moindre coût, une plus grande efficacité, flexibilité ou d'autres caractéristiques améliorées — la dégradation peut être très importante. « Souvent, les gens voient, plus de 60 heures, l'efficacité tombant à 10 % de ce que vous avez vu initialement, " il dit.

    Les réactions individuelles de ces nouvelles structures moléculaires dans la conversion de la lumière solaire sont efficaces à environ 40 %, ou environ le double de l'efficacité des meilleures cellules solaires d'aujourd'hui. Théoriquement, l'efficacité des structures pourrait être proche de 100 pour cent, il dit. Mais dans le travail initial, la concentration des structures dans la solution était faible, ainsi, l'efficacité globale de l'appareil - la quantité d'électricité produite pour une surface donnée - était très faible. Ils travaillent maintenant pour trouver des moyens d'augmenter considérablement la concentration.

    Philip Collins '90, professeur agrégé de physique expérimentale et de la matière condensée à l'Université de Californie, Irvine, qui n'a pas participé à ce travail, dit, « L'une des dernières différences entre les appareils artificiels et les systèmes biologiques est la capacité de se régénérer et de s'auto-réparer. Combler cet écart est une promesse de la nanotechnologie, une promesse qui a été enthousiasmée pendant de nombreuses années. Le travail de Strano est le premier signe de progrès dans ce domaine, et cela suggère que la « nanotechnologie » se prépare enfin à aller au-delà des simples nanomatériaux et composites dans ce nouveau domaine. »


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