Alors que les décideurs politiques se tournent de plus en plus vers la science pour lutter contre le changement climatique mondial, un scientifique de la Michigan State University se tourne vers la nature pour développer la prochaine génération de technologie d'énergie solaire.

Le professeur de la Fondation MSU James McCusker, Département de Chimie, estime que l'avenir de l'énergie solaire réside dans l'abondance, des matériaux évolutifs conçus pour imiter et améliorer les systèmes de conversion d'énergie présents dans la nature.

Dans une nouvelle étude révolutionnaire en La nature , McCusker révèle un nouveau processus qui permet aux molécules de dire aux scientifiques comment elles doivent être modifiées pour mieux absorber et convertir l'énergie solaire. La méthode utilise une propriété moléculaire connue sous le nom de cohérence quantique où différents aspects d'une molécule sont synchrones, comme lorsque le clignotant de votre voiture clignote à l'unisson avec celui de la voiture devant vous. Les scientifiques pensent que la cohérence quantique pourrait jouer un rôle dans la photosynthèse naturelle.

"Notre travail est la première fois que quelqu'un essaie d'utiliser activement des informations glanées à partir de la cohérence quantique comme guide - une feuille de route - pour suggérer quels sont les aspects les plus importants de la structure d'une molécule qui contribuent à une propriété donnée, " a déclaré McCusker. " Nous utilisons une science sophistiquée qui fournit à la nature les moyens de nous apprendre ce sur quoi nous devons nous concentrer en laboratoire. "

Lumière du soleil, bien qu'abondant, est une source d'énergie de faible densité. Pour collecter des quantités significatives d'énergie, vous avez besoin de plus grandes quantités d'espace. Cependant, les matériaux les plus efficaces actuellement utilisés pour la conversion de l'énergie solaire, comme le Ruthénium, sont parmi les métaux les plus rares sur Terre. Les futures technologies solaires doivent pouvoir évoluer avec des méthodes de conversion d'énergie plus efficaces et moins chères.

"Quand je donne des conférences sur les sciences de l'énergie dans les écoles de premier cycle ou devant le grand public, Je dis en plaisantant à moitié qu'il y a beaucoup de feuilles sur les arbres pour une raison, " dit McCusker. " Eh bien, il y a beaucoup de feuilles pour une raison :la capture de la lumière est un problème à forte intensité matérielle en raison de la (relativement) faible densité d'énergie de la lumière du soleil. La nature résout ce problème en produisant beaucoup de feuilles."

Les composés absorbant la lumière dans les méthodes synthétiques courantes pour la photosynthèse artificielle utilisent des états moléculaires excités produits après qu'une molécule a absorbé l'énergie de la lumière du soleil. L'absorption de l'énergie lumineuse existe assez longtemps pour être utilisée dans des réactions chimiques qui reposent sur la capacité de déplacer des électrons d'un endroit à un autre. Une solution possible consiste à trouver des matériaux plus couramment disponibles qui peuvent atteindre le même résultat.

"Le problème avec le passage (des métaux des terres rares) à quelque chose d'abondant sur Terre comme le fer - où le problème d'évolutivité disparaît - est que les processus qui vous permettent de convertir la lumière solaire absorbée en énergie chimique sont fondamentalement différents dans ces matériaux plus largement disponibles, " a déclaré McCusker. L'état excité produit en absorbant l'énergie lumineuse dans un composé à base de fer, par exemple, se désintègre trop rapidement pour permettre son utilisation de manière similaire.

Entrez la cohérence quantique comme guide. En frappant une molécule avec un éclat de lumière d'une durée inférieure à un dixième de mille milliardième de seconde, McCusker et ses étudiants ont pu observer l'interconnexion entre l'état excité de la molécule et sa structure, leur permettant de visualiser comment les atomes de la molécule se déplaçaient lors de la conversion de l'énergie solaire en énergie chimique.

"Une fois que nous avons eu une image de la façon dont ce processus s'est produit, l'équipe a utilisé cette information pour modifier synthétiquement la molécule de manière à ralentir la vitesse du processus, " a déclaré McCusker. " C'est un objectif important qui doit être atteint si ces types de chromophores - une molécule qui absorbe des longueurs d'onde particulières de la lumière visible et sont responsables de la couleur d'un matériau - doivent trouver leur place dans les technologies de l'énergie solaire. "

"La recherche démontre que nous pouvons utiliser ce phénomène de cohérence pour nous apprendre quelles sortes de choses nous pourrions avoir besoin d'incorporer dans la structure moléculaire d'un chromophore qui utilise plus de matériaux abondants en terre pour nous permettre d'utiliser l'énergie stockée dans la molécule lors de l'absorption de lumière pour une large gamme d'applications de conversion d'énergie."

Pour McCusker, cette percée accélérera, espérons-le, le développement de nouvelles technologies, « éliminant une grande partie des essais et des erreurs qui entrent dans les efforts scientifiques en nous disant dès le départ quel type de système nous devons concevoir. »

Et ensuite ? « Que diriez-vous d'une cellule solaire à base d'éclats de peinture et de rouille ? » dit McCusker. "Nous n'en sommes pas encore là, mais l'idée derrière cette recherche est d'utiliser la cohérence quantique pour puiser dans les informations que la molécule possède déjà, puis d'utiliser ces informations pour changer les règles du jeu. »

L'article, « Optimiser la cohérence de l'état excité pour le contrôle synthétique de la dynamique ultrarapide » apparaît sur la couverture de La nature .