Placer des bactéries dans un habitat à forte densité pour produire de l’électricité
Des scientifiques étudient depuis longtemps les capacités des bactéries photosynthétiques qui transforment la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l’eau en énergie. En donnant à ces communautés un habitat comparable à une tour d’habitation, une équipe a innové dans ce domaine. Ces minuscules grilles de « nano-logement » créent l’environnement idéal non seulement pour favoriser la croissance rapide de ces bactéries, mais aussi pour porter leur potentiel de collecte d’énergie à de nouveaux sommets.
Image d’entête : le nouveau type d’électrode imprimée en 3D agissant comme un ensemble de minuscules gratte-ciel pour stimuler la bioénergie produite par les bactéries photosynthétiques. (Gabriella Bocchetti/ Université de Cambridge)
Également connues sous le nom de cyanobactéries, ces bactéries photosynthétiques se trouvent dans tous les types d’eau, où elles utilisent la lumière du soleil pour fabriquer leur propre nourriture. Leur compétence naturelle dans cette tâche a inspiré de nombreuses pistes de recherche prometteuses dans le domaine des énergies renouvelables, depuis les champignons bioniques qui produisent de l’électricité jusqu’aux bioréacteurs alimentés par des algues qui absorbent le dioxyde de carbone, en passant par des solutions autonomes qui offrent un modèle pour les systèmes commerciaux de photosynthèse artificielle.
Les cyanobactéries prospèrent dans des environnements tels que la surface des lacs, car elles ont besoin de beaucoup de lumière solaire pour se développer. Une équipe de l’université de Cambridge a fait une percée en expérimentant des moyens de mieux satisfaire ces besoins. L’équipe a également tenu compte du fait que, pour recueillir l’énergie qu’elles produisent par photosynthèse, les bactéries doivent être fixées à des électrodes. En créant des électrodes qui favorisent également la croissance des bactéries, les scientifiques tentent de faire d’une pierre deux coups.
Selon la Dr Jenny Zhang, qui a dirigé les recherches :
Il y a eu un goulot d’étranglement en termes de quantité d’énergie que l’on peut réellement extraire des systèmes photosynthétiques, mais personne n’a compris où se trouvait ce goulot. La plupart des scientifiques supposaient qu’il se trouvait du côté biologique, dans les bactéries, mais nous avons découvert qu’un goulot d’étranglement important se trouvait en fait du côté des matériaux.
L’équipe a utilisé l’impression 3D pour produire des électrodes composées de nanoparticules d’oxyde métallique, qui ont été disposées en ensembles de piliers très denses, comme une ville minuscule. Cette ville a accueilli les cyanobactéries, qui ont ensuite produit de l’électricité avec une grande efficacité. À tel point que le système a augmenté la quantité d’énergie pouvant être extraite des cyanobactéries de « plus d’un ordre de grandeur. »
Toujours selon Zhang :
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 résultats ont été démontrés expérimentalement. 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 carburants renouvelables ou de produits chimiques.
Gros plan sur la grille bactérienne. La structure recueille les « électrons résiduels » des cyanobactéries qui réalisent la photosynthèse. (Gabriella Bocchetti/ Université of Cambridge)
Un autre point fort de l’approche est que la technique d’impression peut être adaptée pour produire des structures de différentes hauteurs et échelles, ce qui signifie que les minuscules villes peuvent être adaptées pour potentiellement convenir à une gamme d’applications. L’étude ne se contente donc pas de montrer comment l’énergie de cette forme de photosynthèse pourrait être mieux captée, mais ouvre de nouvelles possibilités en matière de conception d’électrodes.
Les électrodes ont d’excellentes propriétés de manipulation de la lumière, comme un appartement en hauteur avec beaucoup de fenêtres. 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.
L’étude publiée dans Nature Materials : 3D-printed hierarchical pillar array electrodes for high-performance semi-artificial photosynthesis et présentée sur le site de l’Université of Cambridge: Tiny ‘skyscrapers’ help bacteria convert sunlight into electricity.