(PhysOrg.com) -- Une équipe de chercheurs du MIT a trouvé un nouveau moyen d'imiter le processus par lequel les plantes utilisent la puissance de la lumière du soleil pour diviser l'eau et fabriquer du carburant chimique pour alimenter leur croissance. Dans ce cas, l'équipe a utilisé un virus modifié comme une sorte d'échafaudage biologique qui peut assembler les composants nanométriques nécessaires pour diviser une molécule d'eau en atomes d'hydrogène et d'oxygène.

Diviser l'eau est une façon de résoudre le problème fondamental de l'énergie solaire :elle n'est disponible que lorsque le soleil brille. En utilisant la lumière du soleil pour fabriquer de l'hydrogène à partir de l'eau, l'hydrogène peut alors être stocké et utilisé à tout moment pour produire de l'électricité à l'aide d'une pile à combustible, ou pour fabriquer des carburants liquides (ou être utilisés directement) pour les voitures et les camions.

D'autres chercheurs ont fait des systèmes qui utilisent l'électricité, qui peut être fourni par des panneaux solaires, séparer les molécules d'eau, mais le nouveau système biologique saute les étapes intermédiaires et utilise la lumière du soleil pour alimenter directement la réaction. L'avancée est décrite dans un article publié le 11 avril dans Nature Nanotechnologie .

L'équipe, dirigé par Angela Belcher, le professeur Germeshausen de science et ingénierie des matériaux et de génie biologique, conçu un commun, virus bactérien inoffensif appelé M13 afin qu'il attire et se lie aux molécules d'un catalyseur (l'équipe a utilisé de l'oxyde d'iridium) et d'un pigment biologique (les porphyrines de zinc). Les virus sont devenus des dispositifs semblables à des fils qui pouvaient très efficacement séparer l'oxygène des molécules d'eau.

Heures supplémentaires, cependant, les virus-fils s'agglutineraient et perdraient leur efficacité, les chercheurs ont donc ajouté une étape supplémentaire :les encapsuler dans une matrice de microgel, ils ont donc conservé leur disposition uniforme et ont conservé leur stabilité et leur efficacité.

Alors que l'hydrogène obtenu à partir de l'eau est le gaz qui serait utilisé comme carburant, la séparation de l'oxygène de l'eau est la "demi-réaction" la plus techniquement difficile du processus, Belcher explique, son équipe s'est donc concentrée sur cette partie. Plantes et cyanobactéries (également appelées algues bleu-vert), elle dit, "ont développé des systèmes photosynthétiques hautement organisés pour l'oxydation efficace de l'eau." D'autres chercheurs ont essayé d'utiliser les parties photosynthétiques des plantes directement pour exploiter la lumière du soleil, mais ces matériaux peuvent avoir des problèmes de stabilité structurelle.

Belcher a décidé qu'au lieu d'emprunter des composants de plantes, elle emprunterait leurs méthodes. Dans les cellules végétales, les pigments naturels sont utilisés pour absorber la lumière du soleil, tandis que les catalyseurs favorisent alors la réaction de séparation de l'eau. C'est le processus Belcher et son équipe, dont le doctorant Yoon Sung Nam, l'auteur principal du nouveau document, décidé d'imiter.

Dans le système de l'équipe, les virus agissent simplement comme une sorte d'échafaudage, amenant les pigments et les catalyseurs à s'aligner avec le bon type d'espacement pour déclencher la réaction de séparation de l'eau. Le rôle des pigments est « d'agir comme une antenne pour capter la lumière, " Belcher explique, "puis transférer l'énergie sur toute la longueur du virus, comme un fil. Le virus est un collecteur de lumière très efficace, avec ces porphyrines attachées.

"Nous utilisons des composants que les gens ont déjà utilisés, " Elle ajoute, "mais nous utilisons la biologie pour les organiser pour nous, ainsi vous obtenez une meilleure efficacité."

L'utilisation du virus pour assembler le système lui-même permet de quadrupler l'efficacité de la production d'oxygène, dit Nam. Les chercheurs espèrent trouver un système similaire basé sur la biologie pour effectuer l'autre moitié du processus, la production d'hydrogène. Actuellement, les atomes d'hydrogène de l'eau sont divisés en leurs composants protons et électrons ; une deuxième partie du système, en cours de développement, les combinerait en atomes d'hydrogène et en molécules. L'équipe travaille également à trouver un lieu plus banal, matériau moins coûteux pour le catalyseur, pour remplacer l'iridium relativement rare et coûteux utilisé dans cette étude de validation de principe.

Thomas Mallouk, le professeur DuPont de chimie et de physique des matériaux à l'Université d'État de Pennsylvanie, qui n'a pas participé à ce travail, dit, "C'est un travail extrêmement intelligent qui aborde l'un des problèmes les plus difficiles de la photosynthèse artificielle, à savoir, l'organisation nanométrique des composants afin de contrôler les taux de transfert d'électrons."

Il ajoute :« Il y a une combinaison redoutable de problèmes à résoudre avant que ce système ou tout autre système photosynthétique artificiel puisse réellement être utile pour la conversion d'énergie. Pour être compétitif par rapport aux autres approches de l'énergie solaire, il dit, le système devrait être au moins 10 fois plus efficace que la photosynthèse naturelle, être capable de répéter la réaction un milliard de fois, et utiliser des matériaux moins chers. « Il est peu probable que cela se produise dans un avenir proche, " dit-il. " Néanmoins, l'idée de conception illustrée dans cet article pourrait finalement aider avec une pièce importante du puzzle."

Belcher ne spéculera même pas sur le temps qu'il faudra pour en faire un produit commercial, mais elle dit que d'ici deux ans, elle espère avoir un prototype d'appareil capable de réaliser l'ensemble du processus de division de l'eau en oxygène et en hydrogène, en utilisant un système autonome et durable.