Search
  • Nouvelles
  • Énergie solaire bio-inspirée

Un circuit synthétique capte la lumière avec la même efficacité que la photosynthèse

by Eva Voinigescu déc. 1 / 17
Un circuit synthétique capte la lumière avec la même efficacité que la photosynthèse

Des chercheurs de l’Université Harvard, du MIT et de l’Université d’état de l’Arizona ont conçu une nouvelle structure synthétique qui peut capter l’énergie lumineuse de façon similaire au mécanisme utilisé par les bactéries photosynthétiques.

« Nous souhaitions concevoir un circuit ou un matériau excitonique pour absorber l’énergie directement », dit Gabriela Schlau-Cohen (MIT), coauteur de l’article et Chercheuse mondiale ICRA-Azrieli. « L’objectif de tels systèmes est de capter l’énergie le plus efficacement possible. »

Cette découverte, publiée dans la revue Nature Materials le mois dernier, est étroitement liée aux travaux réalisés par le programme Énergie solaire bioinspirée de l’ICRA dont l’objectif est d’élucider les mécanismes nanométriques utilisés par les organismes photosynthétiques pour capter la lumière solaire, ainsi que de créer des appareils artificiels qui peuvent faire la même chose avec une efficacité quantique équivalente (près de 100 pour cent).

« Il s’agit d’un article clé en lien avec les travaux du programme Énergie solaire bioinspirée de l’ICRA », dit Alán Aspuru-Guzik (Université Harvard), Boursier principal au sein du programme Énergie solaire biosinspirée dont les recherches visent à imiter les organismes photosynthétiques en recréant ces structures et ces processus de façon ascendante.

Le circuit synthétique conçu par Aspuru-Guzik, Schlau-Cohen et les autres auteurs organise les molécules pour former une structure supramoléculaire où l’énergie est délocalisée ou partagée dans toute la structure. « Dans des systèmes naturels, l’énergie évolue dans deux types de mécanismes différents, un transport plus incohérent ou indirect, et un mouvement plus cohérent ou de type ondulatoire », dit Schlau-Cohen. « Nous avons réussi à mettre au point un système synthétique qui peut équilibrer ces deux mécanismes. »

Dans la nature, les organismes photosynthétiques utilisent des pigments collecteurs de lumière et des centres de réaction pour convertir l’énergie lumineuse des photons en énergie chimique. Dans ce processus, les pigments captent les photons, ce qui énergise les électrons pigmentaires et les transforme en une version énergisée appelée « excitons ». Les excitons transmettent cette énergie d’une molécule pigmentaire à une autre jusqu’à l’atteinte d’un centre de réaction où l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique.

Jusqu’à tout récemment, il se révélait difficile pour les scientifiques de maîtriser la direction et le débit des excitons dans des systèmes synthétiques. Afin que les pigments absorbent véritablement la lumière et transportent les excitons, ils doivent prendre la forme d’une nanostructure particulière.

Pour résoudre ce problème, l’auteur principal Mark Bathe (MIT) a conçu un échafaudage d’ADN synthétique, tel un origami, qui permet aux chercheurs d’organiser un pigment synthétique, la pseudoisocyanine, en grappes structurées qui rappellent certaines structures des bactéries photosynthétiques. Une telle organisation pigmentaire a permis à l’équipe de contrôler l’absorption des photons, ainsi que le transport des excitons le long d’une voie déterminée.

Après la conception de cette structure, Schlau-Cohen a fait partie de l’équipe qui a mesuré l’efficacité du système par spectroscopie avancée. Schlau-Cohen est l’auteur principal d’un article compagnon, publié dans The Journal of Physical Chemistry Letters, qui examine le changement de l’efficacité du transport d’énergie en fonction de la distance parcourue.

« Quand on tente de reproduire un système naturel, un des paramètres importants est de garantir un transport énergétique efficace sur de longues distances », a dit Schlau-Cohen.

La mise au point de tels systèmes excitoniques par méthode ascendante est un objectif de longue date d’Aspuru-Guzik qui a lancé le Centre sur l’excitonique MIT-Harvard il y a environ dix ans. Comme le comportement des excitons change en fonction du matériau, le centre cherche à créer des matériaux qui permettent aux excitons de se déplacer plus rapidement et plus loin.

Quoique les résultats de l’équipe ne constituent pas le premier rapport sur le transport d’excitons à l’aide d’un échafaudage d’ADN, ces recherches explorent des facteurs qui n’ont jamais été étudiés auparavant, comme l’orientation des pigments, et exploitent des méthodes computationnelles pour cerner les structures et les voies optimales pour le transfert d’énergie.

Aspuru-Guzik prévient que cette technologie est coûteuse et ne peut pas encore être mise à l’échelle. Toutefois, cette expérience nous montre comment diriger le mouvement des excitons.

« Nous souhaitons découvrir comment créer un [circuit] peu coûteux à l’avenir qui affiche le même type d’autoassemblage ascendant », a dit Aspuru-Guzik.

Les chercheurs visent maintenant à créer des nanostructures plus compliquées qui ressemblent davantage à celles de la photosynthèse.

« Il s’agit d’une validation de principe que nous souhaitons maintenant optimiser; nous voulons de meilleurs pigments et de meilleures structures d’ADN en origami pour améliorer l’efficacité. Voilà quelque chose que nous pouvons relever sur le plan théorique et expérimental », dit Schlau-Cohen.

Légende : En organisant les pigments dans un échafaudage d’ADN, les chercheurs ont pu concevoir un matériau collecteur de lumière qui reproduit de nombreux éléments des structures bactériennes collectrices de lumière.