Une feuille artificielle capable de récolter l'énergie du soleil plus rapidement qu'une feuille naturelle pourrait conduire à une nouvelle génération d'énergies renouvelables et de technologies médicales.

Sur des centaines de millions d'années, l'évolution a affiné un processus qui permet aux plantes d'utiliser l'énergie du soleil pour transformer le dioxyde de carbone et l'eau en carburant sucré dont elles ont besoin pour grandir.

L'élégante série de réactions biochimiques impliquées dans ce processus fait partie des éléments constitutifs fondamentaux de la vie sur cette planète.

Mais maintenant, les scientifiques ont battu la nature à son propre jeu en créant une feuille semi-artificielle qui incorpore certains des composants affinés par l'évolution pour produire un appareil jusqu'à six fois plus efficace.

"Lorsque les composants naturels de la photosynthèse sont incorporés dans des dispositifs artificiels, ces appareils surpassent la capacité de transfert d'électrons trouvée dans l'environnement naturel, " a déclaré le Dr Nicolas Plumeré, chimiste à la Ruhr-University Bochum en Allemagne.

Lui et ses collègues, dans le cadre du projet PHOTOTECH financé par l'UE, utilisé une protéine trouvée dans de vraies feuilles qui est responsable du transport des électrons pendant la photosynthèse pour créer leur feuille semi-artificielle.

« Sous la lumière, une protéine présente dans les feuilles ou les algues naturelles peut produire environ 50 électrons de haute énergie par seconde, " explique le Dr Plumeré. " Lorsque cette même protéine est incorporée dans des feuilles artificielles, jusqu'à 300 électrons de haute énergie sont produits chaque seconde."

Le Dr Plumeré espère que cette approche pourra éventuellement apporter de nouvelles, des technologies de cellules solaires simples et bon marché, également appelées cellules photovoltaïques, basées sur la photosynthèse, bien qu'il prévienne que la technologie est encore loin de trouver des applications commerciales.

"Le photovoltaïque vert à grande échelle pourrait simplement être peint sur un mur pour capter l'énergie solaire directement à son point d'utilisation, ", a-t-il déclaré. La technologie pourrait également être utilisée pour alimenter de minuscules dispositifs médicaux, tels que des capteurs implantés dans les lentilles de contact pour surveiller les biomarqueurs dans les larmes.

Comme la protéine nécessaire aux appareils peut être obtenue à partir d'algues, il peut être produit à faible coût par rapport aux métaux des terres rares nécessaires aux cellules des panneaux solaires actuels.

« Ces matériaux photosynthétiques peuvent être cultivés sur eaux usées et les éléments chimiques nécessaires à leur assemblage sont disponibles à l'infini, " dit le Dr Plumeré. " A ce titre, ils ouvrent une grande promesse pour les futurs dispositifs de récupération d'énergie durable, qui eux-mêmes peuvent être fabriqués de manière durable."

La production d'appareils capables de générer de l'énergie renouvelable d'une manière respectueuse de l'environnement peut jouer un rôle clé en aidant à remplacer la dépendance de la planète aux combustibles fossiles polluants. Mais la nature intermittente de ces sources d'énergie renouvelables rend cette tâche difficile. Comment, par exemple, les lumières peuvent-elles rester allumées lorsque les cellules solaires ne produisent pas d'électricité la nuit ?

Fractionnement de l'eau

La réponse réside dans le stockage de l'énergie produite par ces sources renouvelables, bien qu'à ce jour, les batteries modernes et autres options de stockage n'offrent qu'une capacité limitée pour le faire. Mais les scientifiques pensent que la photosynthèse peut également fournir une solution ici aussi.

"Le moyen le plus efficace de stocker de l'énergie renouvelable est de produire un carburant tel que l'hydrogène, " a déclaré le Dr Vincent Artero, chimiste à l'Université Grenoble Alpes et au CEA-Grenoble, La France. "L'énergie solaire étant l'énergie renouvelable la plus abondante, pourquoi ne pas développer un procédé qui capte directement la lumière du soleil et la transforme en carburant ?"

Le Dr Artero et son équipe ont copié le métabolisme de certaines algues qui utilisent l'énergie solaire pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. Financé par le Conseil européen de la recherche de l'UE, le projet PhotocatH2ode vise à incorporer des colorants et catalyseurs bio-inspirés dans une cellule photo-électrochimique, produisant une sorte de feuille artificielle qui peut générer de l'hydrogène à partir de la lumière du soleil et de l'eau.

"Notre approche utilise des composants moléculaires, comme les colorants, pour absorber la lumière du soleil et les catalyseurs pour réaliser la production d'hydrogène, immobilisé sur des électrodes transparentes." a déclaré le Dr Artero. "Ce travail ouvre de nouveaux horizons pour le développement de nouvelles technologies de production d'hydrogène."

Imiter la nature

Mais comprendre comment les algues, les plantes et les bactéries peuvent convertir l'énergie lumineuse au niveau moléculaire pourrait conduire à des systèmes de récolte de lumière artificielle encore plus efficaces. Une équipe travaillant sur le projet ENLIGHT financé par l'UE développe de nouveaux modèles théoriques et informatiques pour comprendre le fonctionnement de ces systèmes complexes mais uniques.

« Dans ces organismes, la récolte de lumière est la première, étape fondamentale de la photosynthèse, " a déclaré le professeur Benedetta Mennucci, chimiste à l'Université de Pise en Italie, qui dirige ENLIGHT. "Les modèles développés peuvent maintenant être appliqués à différents types d'organismes pour comprendre si la nature a optimisé certaines caractéristiques spécifiques - communes à tous les systèmes - qui peuvent être imitées dans des systèmes artificiels."

Ce travail pourrait s'avérer crucial dans la conduite d'un domaine de recherche émergent :la chimie solaire. Celui-ci vise à mimer la nature en utilisant directement l'énergie solaire pour la production de carburants, produits chimiques et matériaux.

"Nous pourrions remplacer toutes nos méthodes actuelles de production de carburants et de produits chimiques de base par de nouvelles qui utilisent de l'eau, l'azote et le dioxyde de carbone comme matières premières, avec l'électricité légère ou renouvelable comme intrant énergétique, " a déclaré le Dr Artero. " Ce serait une révolution pour l'Europe. "