Un nouveau type d’électrode imprimée en 3D agit comme un ensemble de minuscules gratte-ciel pour stimuler la bioénergie produite par les bactéries photosynthétiques.

Les 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 une maison semblable à un immeuble d’habitation, une équipe a innové dans ce domaine. Ces minuscules grilles de « nano-habitation » créent l’environnement optimal non seulement pour favoriser la croissance rapide de ces bactéries, mais aussi pour porter leur potentiel de collecte d’énergie à de nouveaux sommets.

Également connues sous le nom de cyanobactéries ou, plus familièrement, d’algues bleues, les 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 les 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.

« 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 », a déclaré le Dr Jenny Zhang, qui a dirigé les recherches. « 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 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.« 

« 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 Jenny 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 carburants renouvelables ou de produits chimiques. »

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 répondre potentiellement 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 », précise Jenny 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. »

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01205-5

https://www.cam.ac.uk/research/news/tiny-skyscrapers-help-bacteria-convert-sunlight-into-electricity