Inspiré par des cyborgs fictifs comme Terminator, une équipe de chercheurs de l'Université du Michigan et de l'Université de Pittsburgh a fabriqué les premières particules bioniques à partir de semi-conducteurs et de protéines.

Ces particules recréent le cœur du processus qui permet aux plantes de transformer la lumière du soleil en carburant.

"Les efforts humains pour transformer l'énergie de la lumière du soleil en biocarburants en utilisant soit des matériaux artificiels, soit des organismes entiers ont une faible efficacité, " a déclaré Nicolas Kotov, le professeur Florence B. Cejka d'ingénierie à l'Université du Michigan, qui a mené l'expérience.

Une approche bionique pourrait changer cela.

Les particules bioniques mélangent les forces des matériaux inorganiques, qui peut facilement convertir l'énergie lumineuse en énergie électronique, avec des molécules biologiques dont les fonctions chimiques ont été fortement développées au cours de l'évolution.

L'équipe a d'abord conçu les particules pour combiner du tellurure de cadmium, un semi-conducteur couramment utilisé dans les cellules solaires, avec le cytochrome C, une protéine utilisée par les plantes pour transporter les électrons dans la photosynthèse. Avec cette combinaison, le semi-conducteur peut transformer un rayon du soleil en électron, et le cytochrome C peut retirer cet électron pour l'utiliser dans des réactions chimiques qui pourraient nettoyer la pollution ou produire du carburant, par exemple.

Pour susciter des réactions, les molécules de cytochrome C et les nanoparticules de tellurure de cadmium doivent échanger des électrons. Ce processus serait plus efficace si les composants étaient connectés, L'équipe a donc conçu un processus qui leur permettrait de s'auto-assembler en superparticules.

Sharon Glotzer de U-M, le professeur Stuart W. Churchill de génie chimique, qui a dirigé les simulations, compare l'auto-assemblage à la façon dont les surfaces des cellules vivantes se forment, en utilisant des forces d'attraction qui sont fortes à petite échelle mais s'affaiblissent à mesure que la structure se développe. Le groupe de Kotov a confirmé que les particules semi-conductrices et les protéines s'assemblent naturellement en particules plus grosses, environ 100 nanomètres (0,0001 millimètres) de diamètre.

L'équipe s'est appuyée sur cette formule pour leur réaction de test. Ils ont transformé le nitrate polluant en nitrite et en oxygène, démontrant que les particules bioniques pourraient exploiter la lumière du soleil pour entraîner des réactions chimiques. Pour ce processus, le semi-conducteur et le cytochrome C avaient besoin de l'aide d'autres enzymes, que l'équipe a incorporé dans les superparticules.

"Nous avons fusionné biologique et inorganique d'une manière qui tire parti des attributs des deux pour obtenir quelque chose de mieux que l'un ou l'autre seul, " a déclaré Glotzer.

Alimenté par les électrons du cytochrome C, l'enzyme pourrait éliminer l'oxygène des molécules de nitrate.

Comme les structures qui accomplissent la photosynthèse chez les plantes, les particules bioniques ont été battues par la manipulation de l'énergie. La nature renouvelle constamment ces parties actives des plantes, et par auto-assemblage, les particules peuvent aussi être capables de se renouveler.

Kotov a déclaré qu'ils pourraient potentiellement fonctionner dans un cycle qui laisserait le temps aux particules de se réassembler après s'être usées à l'usage. Il a expliqué que l'auto-assemblage se produit parce que les deux types de blocs de construction sont de taille et de charge similaires.

"Si les nanoparticules inorganiques sont trop petites, elles ne s'assembleront pas. Trop grosses, et ils démêlent les protéines, " dit-il. " Et, si les nanoparticules et les protéines ont des charges opposées, ils forment de gros touffes et tombent de la solution."

Glotzer a dit que maintenant qu'ils comprennent comment fonctionne le phénomène d'assemblage, "nous pouvons trouver des principes de conception à la fois pour optimiser les conditions et pour étendre nos découvertes à d'autres types de systèmes nanoparticules-protéines."

L'un des objectifs est la conversion du dioxyde de carbone et de l'eau en gaz naturel, ce qui permettrait à une grande partie de l'infrastructure énergétique actuelle de continuer à fonctionner sans émissions nettes de carbone. Mais l'équipe considère plus que de simples applications de photosynthèse artificielle.

"Ces principes de conception peuvent être utilisés pour guider les conceptions futures d'autres systèmes bioniques, à partir des éléments constitutifs primaires des organismes biologiques et des machines inorganiques, " a déclaré Kotov. " Il est très possible que le Terminator du futur doive être construit à partir de tels blocs de construction. "