Des chercheurs mettent au point une méthode plus écologique d'extraction des terres rares
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Les technologies électroniques de pointe et les énergies vertes actuelles ne pourraient fonctionner sans les terres rares. Ces 17 métaux possèdent des propriétés uniques, essentielles à la fabrication d'éléments tels que les phosphores qui éclairent les écrans de nos téléphones portables et les puissants aimants utilisés dans les véhicules électriques et les éoliennes. Or, l'extraction de ces substances à partir de matières premières est un procédé polluant qui utilise des produits chimiques toxiques et génère des déchets contaminés.
Une équipe de chercheurs dirigée par l'UC Berkeley a peut-être trouvé la solution à ce problème — grâce à un minuscule virus.
Comme indiqué dans la revue Nano Letters , des chercheurs ont modifié génétiquement un virus inoffensif pour qu'il agisse comme une « éponge intelligente » capable de capter les terres rares présentes dans l'eau et, grâce à une légère variation de température et d'acidité (pH), de les libérer pour leur extraction. Cette approche novatrice et originale pourrait déboucher sur une alternative biologique « propre » aux méthodes d'extraction traditionnelles des terres rares et d'autres éléments critiques.
« Il s’agit d’une avancée majeure vers une exploitation minière et une valorisation des ressources plus durables », a déclaré Seung-Wuk Lee , chercheur principal , professeur de bio-ingénierie à l’UC Berkeley et chercheur au Laboratoire national Lawrence Berkeley. « Notre solution biologique offre une méthode plus écologique, économique et recyclable pour obtenir les matériaux essentiels à un avenir énergétique propre, tout en contribuant à la protection de l’environnement. »
Il a ajouté : « Nos travaux pourraient également résoudre un problème majeur d’approvisionnement pour notre pays. En rendant l’extraction des terres rares respectueuse de l’environnement et réalisable à grande échelle sur le sol américain, cette technologie pourrait contribuer à garantir un approvisionnement national en ces minéraux essentiels, renforçant ainsi notre sécurité nationale et économique. »
La clé de leur approche résidait dans la transformation du bactériophage — un virus qui infecte uniquement les bactéries et est inoffensif pour l'homme et l'environnement — en une « machine de recyclage hautement sélective ». Les chercheurs y sont parvenus en ajoutant deux protéines spécialisées à la surface du virus. L'une, un peptide liant les lanthanides, agit comme une pince moléculaire, capable de capturer les terres rares. L'autre, un peptide à motif élastine, agit comme un interrupteur simple, non toxique et thermosensible : lorsque le virus est légèrement chauffé, il se détache de la solution, emportant avec lui les terres rares.
« Cette nouvelle approche, appelée bioextraction minière, démontre qu’il est possible d’utiliser un outil biologique programmable pour réaliser une tâche industrielle complexe qui nécessite actuellement des produits chimiques toxiques et une grande quantité d’énergie », a déclaré Lee. « Notre méthode est non seulement écologique, mais aussi incroyablement simple : elle ne requiert guère plus qu’une cuve de mélange et un dispositif de chauffage. »
Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont testé avec succès l'efficacité de ce système en ajoutant les virus modifiés à des eaux de drainage minier acides. Les virus se sont immédiatement fixés aux ions de terres rares présents dans les eaux de drainage, ignorant tous les autres métaux. En chauffant légèrement la solution, les chercheurs ont provoqué l'agglomération des virus et leur sédimentation au fond du réservoir. Après avoir drainé le liquide, ils ont obtenu une boue concentrée de virus et de métaux capturés. Enfin, ils ont ajusté le pH de cette solution, ce qui a permis aux virus de libérer les ions métalliques purs pour leur récupération.
Les chercheurs ont également découvert que les virus conservaient leur efficacité après avoir accompli leur mission, ce qui les rend réutilisables. De plus, il est possible de produire facilement et à moindre coût de grandes quantités de virus en infectant simplement des bactéries, car ceux-ci se répliquent ensuite de manière autonome.
Ces travaux novateurs s'inscrivent dans la continuité des recherches antérieures menées par Lee et son laboratoire. Jusqu'à présent, ils ont utilisé cette plateforme virale pour créer des biocapteurs ultrasensibles , des générateurs électriques et des « Legos » moléculaires servant de support à la régénération des tissus humains.
« Depuis 20 ans, nous développons une nouvelle boîte à outils basée sur des virus modifiés, de puissants outils programmables pour les nouvelles technologies », a-t-il déclaré. « Ce dernier projet élargit notre boîte à outils virale afin de répondre au besoin crucial d’une récupération durable des ressources. »
Outre l'extraction des terres rares à partir des eaux usées minières, les chercheurs envisagent que cette plateforme puisse être utilisée pour d'autres applications essentielles, notamment la récupération des terres rares à partir de déchets électroniques, tels que les vieux téléphones ou ordinateurs portables, et pour la dépollution de l'environnement.
« En modifiant le code génétique du virus, nous pouvons l'adapter pour qu'il capture sélectivement d'autres éléments essentiels comme le lithium et le cobalt pour les batteries, les métaux du groupe platine pour les catalyseurs, ou même qu'il élimine des métaux lourds toxiques comme le mercure et le plomb de notre eau potable », a déclaré Lee. « À terme, ces travaux constituent une étape fondamentale vers une nouvelle génération de matériaux intelligents à base de virus, qui pourront nous aider à bâtir une économie véritablement circulaire et durable. »
Le laboratoire de Lee va maintenant exploiter les résultats de cette étude pour explorer son potentiel dans l'extraction du cuivre. Cette nouvelle phase de la recherche est soutenue par le Centre Rio Tinto pour les matériaux du futur .