Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont utilisé l’impression 3D pour créer des grilles de “nano-habitations” de grande hauteur où des bactéries aimant le soleil peuvent se développer rapidement. Les chercheurs ont ensuite été en mesure d’extraire les électrons résiduels des bactéries, issus de la photosynthèse, qui pourraient être utilisés pour alimenter de petits appareils électroniques. Crédit : Gabriella Bocchetti
Des chercheurs ont fabriqué de minuscules “gratte-ciel” pour des communautés de bactéries, les aidant à produire de l’électricité à partir de la lumière du soleil et de l’eau.
Les chercheurs, de l’Université de Cambridge, ont utilisé l’impression 3D pour créer des grilles de “nano-habitations” de grande hauteur où les bactéries aimant le soleil peuvent se développer rapidement. Les chercheurs ont ensuite réussi à extraire les électrons résiduels des bactéries, issus de la photosynthèse, qui pourraient être utilisés pour alimenter de petits appareils électroniques.
D’autres équipes de recherche ont extrait de l’énergie de bactéries photosynthétiques, mais les chercheurs de Cambridge ont découvert que le fait de leur fournir le bon type d’habitat augmente la quantité d’énergie qu’elles peuvent extraire de plus d’un ordre de grandeur. Cette approche est compétitive par rapport aux méthodes traditionnelles de production de bioénergie renouvelable et a déjà atteint des efficacités de conversion solaire qui peuvent surpasser de nombreuses méthodes actuelles de production de biocarburants.
Leurs résultats, rapportés dans le journal Nature Materialsouvrent de nouvelles perspectives en matière de production de bioénergie et suggèrent que les sources “biohybrides” d’énergie solaire pourraient constituer un élément important du bouquet énergétique sans carbone.
Des chercheurs de l’université de Cambridge ont utilisé l’impression 3D pour créer des grilles de “gratte-ciel” où des bactéries aimant le soleil peuvent se développer rapidement. Les chercheurs ont ensuite été en mesure d’extraire les électrons résiduels des bactéries, issus de la photosynthèse, qui pourraient être utilisés pour alimenter de petits appareils électroniques. Crédit : Gabriella Bocchetti
Les technologies renouvelables actuelles, telles que les cellules solaires à base de silicium et les biocarburants, sont bien supérieures aux combustibles fossiles en termes d’émissions de carbone, mais elles présentent également des limites, telles que la dépendance à l’égard de l’exploitation minière, les difficultés de recyclage et la dépendance à l’égard de l’agriculture et de l’utilisation des terres, qui entraînent une perte de biodiversité.
“Notre approche est une étape vers la fabrication de dispositifs d’énergie renouvelable encore plus durables pour l’avenir”, a déclaré le Dr Jenny Zhang du département de chimie de Yusuf Hamied, qui a dirigé la recherche.
Jenny Zhang et ses collègues du département de biochimie et du département des sciences des matériaux et de la métallurgie s’efforcent de repenser la bioénergie pour en faire quelque chose de durable et d’évolutif.
Les bactéries photosynthétiques, ou cyanobactéries, sont la forme de vie la plus abondante sur Terre. Depuis plusieurs années, les chercheurs tentent de “recâbler” les mécanismes de photosynthèse des cyanobactéries afin d’en extraire de l’énergie.
“Il y a eu un goulot d’étranglement en termes de quantité d’énergie que vous pouvez réellement extraire des systèmes photosynthétiques, mais personne n’a compris où se trouvait ce goulot”, a déclaré Zhang. “La plupart des scientifiques supposaient que le goulot d’étranglement se trouvait du côté biologique, dans les bactéries, mais nous avons découvert qu’un goulot d’étranglement substantiel se trouve en fait du côté des matériaux.”
Pour se développer, les cyanobactéries ont besoin de beaucoup de lumière solaire – comme la surface d’un lac en été. Et afin d’extraire l’énergie qu’elles produisent par photosynthèse, les bactéries doivent être fixées à des électrodes.
L’équipe de Cambridge a imprimé en 3D des électrodes personnalisées à partir de nanoparticules d’oxyde métallique, conçues pour fonctionner avec les cyanobactéries lors de la photosynthèse. Les électrodes ont été imprimées sous la forme de piliers très ramifiés et densément compacts, comme une ville minuscule.
L’équipe de Zhang a mis au point une technique d’impression qui permet de contrôler de multiples échelles de longueur, rendant les structures hautement personnalisables, ce qui pourrait profiter à un large éventail de domaines.
“Les électrodes ont d’excellentes propriétés de manipulation de la lumière, comme un appartement en hauteur avec beaucoup de fenêtres”, a déclaré Zhang. “Les cyanobactéries ont besoin de quelque chose auquel elles peuvent s’attacher et former une communauté avec leurs voisins. Nos électrodes permettent un équilibre entre beaucoup de surface et beaucoup de lumière – comme un gratte-ciel en verre.”
Une fois les cyanobactéries auto-assemblées dans leur nouvelle maison “câblée”, les chercheurs ont constaté qu’elles étaient plus efficaces que d’autres technologies bioénergétiques actuelles, comme les biocarburants. La technique a permis d’augmenter la quantité d’énergie extraite de plus d’un ordre de grandeur par rapport aux autres méthodes de production de bioénergie à partir dela photosynthèse.
“J’ai été surpris que nous ayons pu atteindre les chiffres que nous avons obtenus – des chiffres similaires ont été prédits pendant de nombreuses années, mais c’est la première fois que ces chiffres ont été montrés expérimentalement”, a déclaré Zhang. “Les cyanobactéries sont des usines chimiques polyvalentes. Notre approche nous permet d’exploiter leur voie de conversion de l’énergie à un stade précoce, ce qui nous aide à comprendre comment elles effectuent la conversion de l’énergie afin que nous puissions utiliser leurs voies naturelles pour la production de carburant renouvelable ou de produits chimiques.”
Référence : ” 3D-printed hierarchical pillar array electrodes for high performance semi-artificial photosynthesis ” 7 mars 2022, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-022-01205-5
Cette recherche a été soutenue en partie par le Biotechnology and Biological Sciences Research Council, le Cambridge Trust, le Isaac Newton Trust et le Conseil européen de la recherche. Jenny Zhang est membre du BBSRC David Phillips Fellow au département de chimie, et membre du Corpus Christi College, Cambridge.
