Les ingénieurs du MIT ont découvert une nouvelle façon de produire de l'électricité en utilisant de minuscules particules de carbone qui peuvent créer un courant simplement en interagissant avec le liquide qui les entoure.

Le liquide, un solvant organique, attire les électrons des particules, générer un courant qui pourrait être utilisé pour entraîner des réactions chimiques ou pour alimenter des robots micro ou nanométriques, disent les chercheurs.

"Ce mécanisme est nouveau, et cette façon de produire de l'énergie est complètement nouvelle, " dit Michael Strano, le professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT. "Cette technologie est intrigante car tout ce que vous avez à faire est de faire passer un solvant à travers un lit de ces particules. Cela vous permet de faire de l'électrochimie, mais sans fils."

Dans une nouvelle étude décrivant ce phénomène, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient utiliser ce courant électrique pour déclencher une réaction connue sous le nom d'oxydation de l'alcool, une réaction chimique organique importante dans l'industrie chimique.

Strano est l'auteur principal de l'article, qui apparaît aujourd'hui dans Communication Nature . Les auteurs principaux de l'étude sont Albert Tianxiang Liu, étudiant diplômé du MIT, et l'ancien chercheur du MIT Yuichiro Kunai. D'autres auteurs incluent l'ancien étudiant diplômé Anton Cottrill, les post-doctorants Amir Kaplan et Hyunah Kim, étudiant diplômé Ge Zhang, et les récents diplômés du MIT Rafid Mollah et Yannick Eatmon.

Propriétés uniques

La nouvelle découverte est née des recherches de Strano sur les nanotubes de carbone - des tubes creux constitués d'un réseau d'atomes de carbone, qui ont des propriétés électriques uniques. En 2010, Strano a démontré, pour la première fois, que les nanotubes de carbone peuvent générer des « ondes thermoélectriques ». Lorsqu'un nanotube de carbone est recouvert d'une couche de combustible, des impulsions de chaleur en mouvement, ou des ondes thermoélectriques, voyager le long du tube, créer un courant électrique.

Ce travail a conduit Strano et ses étudiants à découvrir une caractéristique connexe des nanotubes de carbone. Ils ont découvert que lorsqu'une partie d'un nanotube est recouverte d'un polymère de type téflon, il crée une asymétrie qui permet aux électrons de circuler de la partie revêtue vers la partie non revêtue du tube, générer un courant électrique. Ces électrons peuvent être retirés en immergeant les particules dans un solvant avide d'électrons.

Pour exploiter cette capacité spéciale, les chercheurs ont créé des particules génératrices d'électricité en broyant des nanotubes de carbone et en les transformant en une feuille de matériau semblable à du papier. Un côté de chaque feuille était enduit d'un polymère de type téflon, et les chercheurs ont ensuite découpé de petites particules, qui peut être de n'importe quelle forme ou taille. Pour cette étude, ils fabriquaient des particules de 250 microns sur 250 microns.

Lorsque ces particules sont immergées dans un solvant organique tel que l'acétonitrile, le solvant adhère à la surface non revêtue des particules et commence à en retirer des électrons.

"Le solvant enlève des électrons, et le système essaie de s'équilibrer en déplaçant des électrons, " dit Strano. " Il n'y a pas de chimie de batterie sophistiquée à l'intérieur. C'est juste une particule et vous la mettez dans un solvant et elle commence à générer un champ électrique."

Puissance des particules

La version actuelle des particules peut générer environ 0,7 volts d'électricité par particule. Dans cette étude, les chercheurs ont également montré qu'ils peuvent former des réseaux de centaines de particules dans un petit tube à essai. Ce réacteur "à lit fixe" génère suffisamment d'énergie pour alimenter une réaction chimique appelée oxydation de l'alcool, dans lequel un alcool est converti en un aldéhyde ou une cétone. D'habitude, cette réaction n'est pas réalisée par électrochimie car elle nécessiterait trop de courant externe.

« Parce que le réacteur à lit fixe est compact, il a plus de flexibilité en termes d'applications qu'un gros réacteur électrochimique, " dit Zhang. " Les particules peuvent être très petites, et ils ne nécessitent aucun fil externe pour piloter la réaction électrochimique."

Dans les travaux futurs, Strano espère utiliser ce type de production d'énergie pour fabriquer des polymères en utilisant uniquement du dioxyde de carbone comme matériau de départ. Dans un projet connexe, il a déjà créé des polymères qui peuvent se régénérer en utilisant le dioxyde de carbone comme matériau de construction, dans un processus alimenté par l'énergie solaire. Ce travail s'inspire de la fixation du carbone, l'ensemble des réactions chimiques que les plantes utilisent pour fabriquer des sucres à partir du dioxyde de carbone, en utilisant l'énergie du soleil.

A plus long terme, cette approche pourrait également être utilisée pour alimenter des robots à l'échelle micro ou nanométrique. Le laboratoire de Strano a déjà commencé à construire des robots à cette échelle, qui pourraient un jour servir de capteurs de diagnostic ou d'environnement. L'idée de pouvoir récupérer l'énergie de l'environnement pour alimenter ce genre de robots est séduisante, il dit.

« Cela signifie que vous n'avez pas à mettre le stockage d'énergie à bord, " dit-il. " Ce que nous aimons dans ce mécanisme, c'est que vous pouvez prendre l'énergie, au moins en partie, de l'environnement."