Des chercheurs ont mis au point la première biopile entièrement fonctionnelle dont les biocatalyseurs (enzymes jouant un rôle essentiel dans la production d'électricité) s'auto-assemblent directement sur les électrodes. En 5 minutes environ, les hybrides enzyme-nanoparticules ajoutés à une solution de biopile se lient sélectivement à l'anode ou à la cathode, et, ce faisant, forment les composants clés de la biopile.

Les chercheurs, dirigé par Andreas Stemmer, avec Alexander Trifonov et Ran Tel-Vered, tous au Nanotechnology Group à l'ETH Zürich, ont publié un article sur les biopiles auto-assemblées dans un récent numéro de ACS Nano .

« Nous avons fait la démonstration d'une biopile auto-assemblée qui fournit une production d'électricité à la demande qui peut être allumée et éteinte par un champ magnétique, " a dit Trifonov Phys.org . "Le système permet également aux électrodes d'être réutilisées plusieurs fois avec seulement l'échange des éléments actifs."

Dans les années récentes, les méthodes d'auto-assemblage ont été étudiées en tant qu'outil pour fabriquer une variété de structures à l'échelle nanométrique, qui ont des applications potentielles dans les piles à combustible, piles, et d'autres dispositifs de stockage et de production d'énergie. En auto-assemblage, l'une des stratégies les plus courantes consiste à utiliser des champs de force (électriques, magnétique, etc.) pour rendre certaines régions plus favorables énergétiquement aux nanoparticules, les guidant à se regrouper dans ces régions. Jusque là, cependant, une biopile entièrement fonctionnelle n'a pas encore été formée à l'aide d'une quelconque méthode d'auto-assemblage direct.

La biopile présentée ici est conçue pour convertir les fluides contenant du fructose, comme le jus de raisin, en énergie électrique. Pour faire ça, la cellule utilise des enzymes comme élément actif pour libérer des électrons du sucre (par oxydation) dans l'anode. Ensuite, les électrons voyagent à travers un fil jusqu'à la cathode, générer un courant électrique. A la cathode, d'autres enzymes utilisent les électrons (par réduction, l'inverse de l'oxydation) et l'oxygène présent dans la solution pour produire de l'eau.

L'un des plus grands défis du développement des biocarburants est d'immobiliser les enzymes catalysant l'oxydation et la réduction suffisamment près des électrodes pour garantir que les électrons libérés par le sucre finissent dans le processus de réduction de l'oxygène. L'immobilisation est nécessaire pour que les processus d'oxydation et de réduction se produisent simultanément, permettant un flux de courant continu à travers le fil. Si l'un des compartiments de la biopile (soit cathode, soit anode) ne fonctionne pas correctement, tout le processus s'arrête.

C'est là que le processus d'auto-assemblage devient très utile, car il force les deux types d'enzymes (oxydation-catalyse et réduction-catalyse) à se lier étroitement à l'électrode appropriée (anode ou cathode, respectivement). Les enzymes sont d'abord hybridées avec des nanoparticules magnétiques enrobées de carbone, qui eux-mêmes sont attachés à l'un des deux types de ligands, qui sont des molécules aux propriétés chimiques particulières. Lorsqu'un mélange de ces hybrides enzyme-nanoparticules est placé dans la biopile, les réactions entre les ligands et les électrodes forcent les nanoparticules-enzymes catalysant l'oxydation à se lier à l'anode, tandis que les nanoparticules-enzymes catalysant la réduction se lient à la cathode. Cela atteint l'objectif d'immobiliser les enzymes à l'électrode appropriée et permet des processus d'oxydation et de réduction ininterrompus.

Les chercheurs ont également démontré une autre caractéristique potentiellement utile de la conception :le démontage. Comme les nanoparticules sont magnétiques, un champ magnétique appliqué provoque le détachement des nanoparticules enzymatiques des électrodes, mettre fin au courant et libérer les nanoparticules dans l'électrolyte d'où elles peuvent être éliminées. Ensuite, un nouveau lot de nanoparticules enzymatiques peut être ajouté, lequel, comme avant, s'auto-assemble sur les électrodes. Cette capacité à se rafraîchir plus vieux, dégrader les biocatalyseurs avec de nouveaux permet de redynamiser la cellule et de prolonger sa durée de vie.

La version actuelle de la biopile a une puissance de sortie relativement faible par rapport aux biopiles non auto-assemblées, mais les chercheurs s'attendent à ce que les performances puissent être considérablement améliorées avec diverses techniques d'optimisation, qu'ils prévoient d'étudier à l'avenir. D'autres domaines à explorer incluent l'adaptation des nanoparticules enzymatiques avec différentes molécules pour diverses fonctions, ainsi que de modifier la cellule pour utiliser différents combustibles.

"Le plan futur pour ce sujet est d'étendre la technique présentée pour divers types d'enzymes, qui permettra la récupération d'énergie à partir de nombreux combustibles différents (tels que le glucose, lactate, alcools, etc.), " dit Trifonov. " De plus, nous visons à prolonger la durée de vie de ces biopiles, ainsi que des tests de différentes combinaisons d'interactions pour le processus d'auto-assemblage afin d'agrandir la surface couverte par les hybrides enzyme-magnétique-nanoparticules (le principal problème de la technologie démontrée) afin d'améliorer la puissance de sortie finale de l'appareil."

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