La consommation énergétique mondiale moyenne des carburants de transport est actuellement de plusieurs térawatts (1 térawatt =10 ¹² Joule) par seconde. Une lacune scientifique majeure pour le développement d'une technologie de combustibles solaires qui pourrait remplacer les ressources fossiles par des ressources renouvelables est l'évolutivité au niveau sans précédent des térawatts. En réalité, la seule technologie existante pour fabriquer des composés chimiques à l'échelle du térawatt est la photosynthèse naturelle.

Les deux réactions nécessaires à l'achèvement du cycle photosynthétique - la réduction du CO2 et l'oxydation du H2O - se déroulent dans des environnements incompatibles, ils doivent donc être physiquement séparés par une barrière. Mais, pour que le processus soit efficace, la distance entre les deux doit être aussi courte que possible, à l'échelle nanométrique. Les systèmes photosynthétiques naturels accomplissent cela très bien, mais il présente un défi d'ingénierie pour la fabrication de photosystèmes artificiels basés sur cette conception, a expliqué Heinz Frei, chercheur principal dans la division Biophysique moléculaire et bioimagerie intégrée (MBIB) de Biosciences.

Frei a collaboré avec Eran Edri, un ancien boursier postdoctoral au MBIB maintenant à l'Université Ben Gourion, et Shaul Aloni à la Fonderie Moléculaire, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Ils ont développé une méthode de fabrication pour faire un photosystème artificiel de la taille d'un pouce carré, sous la forme d'un réseau de nanotubes noyau-enveloppe inorganique, qui met en œuvre ce principe de conception pour la première fois. "Cette réalisation est rendue possible par la synergie unique de la biophysique, chimique, et l'expertise nanomatériaux du MBIB, contribuer ainsi aux avancées scientifiques de la Division pour résoudre un enjeu national majeur dans le domaine de l'énergie, " dit Frei.

La méthode, décrit dans un article publié plus tôt cette année dans ACS Nano , utilise un réseau de tiges de silicium comme modèle en combinaison avec des techniques de dépôt de couche atomique et de cryogravure pour contrôler les échelles de longueur caractéristiques des composants sur huit ordres de grandeur. Alors que le réseau est fabriqué à l'échelle macro, le diamètre des tubes individuels est de quelques centaines de nanomètres et l'épaisseur de paroi de quelques dizaines de nanomètres.

Les surfaces intérieures des nanotubes d'oxyde de cobalt fournissent le site catalytique pour l'oxydation de H2O, qui sont séparés de l'absorbeur de lumière et des sites de réduction de CO2 à l'extérieur par une couche de silice ultrafine en phase dense. Ce dernier agit comme un conducteur de protons, Membrane imperméable à l'O2. Quelque peu surprenante a été la constatation que, malgré des conditions de synthèse apparemment incompatibles, il était en effet possible d'assembler une construction nanométrique à base d'oxyde solide avec des fils moléculaires organiques "souples" intégrés pour la conduction électronique et de se retrouver avec tous les composants intacts, a noté Frei.

Le réseau de nanotubes fournit une base pour le développement de systèmes de combustibles solaires d'ingénierie évolutifs adaptés au déploiement sur une abondance, terres non arables.