Des scientifiques de l'Université nationale de recherche nucléaire MEPhI (Russie) ont créé un nouveau type de panneau solaire basé sur un matériau hybride constitué de points quantiques (QD) et de protéines photosensibles. Les créateurs pensent qu'il a un grand potentiel pour l'énergie solaire et l'informatique optique.

Les résultats de l'étude MEPhI ont été publiés dans Biocapteurs et bioélectronique .

Protéines archées d'organismes unicellulaires, bactériorhodopsine, peut convertir l'énergie de la lumière en énergie de liaisons chimiques (comme la chlorophylle dans les plantes). Cela se produit en raison du transfert d'une charge positive à travers la membrane cellulaire. La bactériorhodopsine agit comme une pompe à protons, ce qui en fait un élément naturel prêt à l'emploi du panneau solaire.

Une différence clé entre la bactériorhodopsine et la chlorophylle est sa capacité à fonctionner sans oxygène, permettant aux archées de vivre dans des environnements très agressifs comme les profondeurs de la mer Morte. Cette capacité a conduit au cours de l'évolution à leur forte teneur en produits chimiques, thermique, et la stabilité optique. À la fois, en pompant des protons, la bactériorhodopsine change de couleur plusieurs fois en un milliardième de seconde. C'est pourquoi c'est un matériau prometteur pour la création d'unités de traitement holographiques.

Les scientifiques du MEPhI ont pu améliorer considérablement les propriétés de la bactériorhodopsine en la liant à des points quantiques (QD), des nanoparticules semi-conductrices capables de concentrer l'énergie lumineuse à une échelle de quelques nanomètres seulement et de la transmettre à la bactériorhodopsine sans émettre de lumière.

"Nous avons créé un système hautement efficace, cellule photosensible en fonctionnement qui génère un courant électrique en convertissant la lumière sous une très faible excitation photonique. Sous des conditions normales, une telle cellule ne fonctionne pas car les molécules photosensibles telles que la bactériorhodopsine n'absorbent efficacement la lumière que dans une plage d'énergie très étroite. Mais les points quantiques le font dans une très large gamme et peuvent même convertir deux photons de basse énergie en un photon de haute énergie comme s'ils les empilaient, " chercheur au MEPhI et l'un des auteurs de l'étude, dit Viktor Krivenkov.

Selon le chercheur, créer des conditions pour le rayonnement de photons de haute énergie, un point quantique peut ne pas le rayonner mais le transmettre à la bactériorhodopsine. Ainsi, Les scientifiques du MEPhI ont conçu une cellule capable de fonctionner sous l'irradiation du proche infrarouge aux régions ultraviolettes du spectre optique.

« Nous utilisons une approche interdisciplinaire au croisement de la chimie, la biologie, physique des particules et photonique. Les points quantiques sont produits en utilisant des méthodes de synthèse chimique, puis ils sont revêtus de molécules qui rendent leur surface à la fois biocompatible et chargée, après quoi ils sont liés à la surface des membranes pourpres contenant de la bactériorhodopsine archéenne de Halobacterium salinarum. Par conséquent, nous avons obtenu des complexes hybrides avec une efficacité très élevée (environ 80%) de transfert d'énergie d'excitation des boîtes quantiques à la bactériorhodopsine, " le scientifique leader du Laboratoire de Nano-Bio-ingénierie MEPhI, dit Igor Nabiev.

Selon les chercheurs, les résultats obtenus montrent le potentiel de création d'éléments photosensibles hautement efficaces basés sur des biostructures. Ils peuvent être utilisés, non seulement pour fournir de l'énergie solaire, mais aussi en informatique optique.

Les auteurs ont souligné la très haute qualité du matériau nanostructuré bio-hybride et la perspective de surpasser les meilleurs échantillons commerciaux avec une augmentation possible de l'efficacité d'une marge substantielle. Le prochain objectif de l'équipe de recherche dans cette direction est d'optimiser la structure de la cellule photosensible.