Un nouveau matériau à base d’eau pourrait stocker l’énergie solaire, alimenter des réactions dans l’obscurité, puis se recharger.
Ce liquide polymorphe se transforme en un gel riche en énergie qui stocke l’énergie pendant des mois.
Des scientifiques de l’Université Northwestern ont mis au point un nouveau matériau liquide qui se charge comme une batterie, se transforme comme un organisme vivant, puis se réinitialise à l’air libre.
Traditionnellement, la production, le stockage et l’utilisation de l’énergie nécessitent des matériaux ou des dispositifs distincts. Cette nouvelle plateforme intègre ces trois fonctions au sein d’un seul matériau, ouvrant la voie à des systèmes adaptatifs, propres et renouvelables, sans plastique ni métal.
Pour concevoir ce matériau, les chercheurs se sont inspirés du cytosquelette, la structure interne dynamique de la cellule qui lui permet de conserver sa forme, de se déplacer et de se diviser. Contrairement au squelette rigide des animaux, le cytosquelette se construit, se déconstruit et se reconstruit constamment. Le nouveau matériau de Northwestern fonctionne de manière similaire, s’assemblant et se désassemblant de façon répétée tout en stockant et en libérant de l’énergie. Mais au lieu de fonctionner grâce à des biocarburants, il est alimenté par des électrons captés à partir de la lumière du soleil, de l’électricité, des rayons X et d’autres sources d’énergie.
Après avoir absorbé de l’énergie, le liquide jaune se transforme en un gel noir capable de stocker cette énergie pendant des mois. L’utilisateur peut ensuite exploiter cette énergie stockée pour déclencher des réactions chimiques, à la manière d’une batterie. Pour réinitialiser le processus, il suffit d’oxygène présent dans l’air ambiant pour que le gel se dissolve à nouveau. Le matériau peut alors être rechargé et réutilisé indéfiniment.
L’étude, récemment publiée en ligne , paraît dans le numéro du 11 juin de la revue Chem. Elle constitue le premier rapport sur un matériau capable de stocker de l’énergie en se régénérant physiquement.
« Les systèmes vivants sont d’une dynamique remarquable », explique Samuel I. Stupp , de l’université Northwestern, principal auteur de l’étude. « Ils construisent, déconstruisent et reconstruisent sans cesse des structures. Nous souhaitions créer un matériau synthétique qui se comporte de manière similaire tout en remplissant des fonctions utiles. Sa capacité à stocker et à libérer de l’énergie à la demande pourrait le rendre utile pour le stockage d’énergie, la dépollution et l’électronique souple de nouvelle génération. »
Pionnier des matériaux auto-assemblés, Stupp est professeur titulaire de la chaire de science et génie des matériaux, de chimie, de médecine et de génie biomédical à l’Université Northwestern, où il est rattaché à la McCormick School of Engineering , au Weinberg College of Arts and Sciences et à la Feinberg School of Medicine . Il dirige également le Centre de nanomédecine régénérative. Tyler Jaynes (jeune docteur) et Luka Dordevic (ancien chercheur postdoctoral au sein du laboratoire), membres de son équipe, sont les co-premiers auteurs de l’étude.
Un système, trois fonctions
Depuis des décennies, les scientifiques développent des matériaux capables d’absorber l’énergie lumineuse, électrique et d’autres sources. Cependant, bien souvent, cette énergie captée doit être utilisée immédiatement ou stockée dans des dispositifs distincts, tels que des batteries. De ce fait, les processus de captage, de stockage et d’utilisation de l’énergie sont souvent répartis entre différents matériaux et dispositifs.
Pour intégrer ces rôles au sein d’un même système, Stupp et son équipe se sont tournés vers les matériaux supramoléculaires, c’est-à-dire des molécules qui s’auto-organisent en structures plus grandes. Baptisée ANI-MV, la molécule conçue sur mesure par Stupp combine deux composants principaux : une unité aromatique d’amino-naphtalène (ANI) sensible à la lumière et du méthylviologène (MV) qui stocke des électrons.
Lorsque la partie ANI absorbe de l’énergie, elle cède des électrons à la partie MV. À mesure que l’unité MV s’enrichit en électrons, les molécules voisines s’attirent fortement, formant des structures appelées pimères. Ces pimères s’organisent ensuite en rubans semi-conducteurs nanométriques à électrons délocalisés, c’est-à-dire que les électrons peuvent se déplacer librement au sein de la structure au lieu d’y être confinés. En s’enchevêtreant, les rubans forment un gel noir qui stocke les électrons dans l’ensemble de son réseau moléculaire. Ces rubans constituent le premier exemple de pimère polymère supramoléculaire – un matériau auto-assemblé constitué de paires moléculaires de stockage d’électrons.
Permettre la « photocatalyse sombre »
Lors d’expériences, Stupp et son équipe ont démontré que le gel chargé pouvait transférer son énergie stockée à l’oxygène, créant ainsi des molécules hautement réactives qui alimentaient ensuite des réactions chimiques dans l’obscurité totale.
Ce matériau s’est également révélé d’une remarquable polyvalence. Qu’il soit alimenté par un carburant chimique, la lumière, l’électricité ou les rayons X, il se transformait systématiquement d’un liquide jaune en un gel noir conducteur et riche en énergie. L’exposition à l’air libre inversait le processus, ramenant le matériau à de minuscules agrégats de molécules non conductrices en suspension dans un liquide jaune. La lumière pouvant déclencher sélectivement cette transformation, les scientifiques peuvent utiliser ce matériau pour créer des motifs conducteurs microscopiques qui disparaissent ensuite lorsque le matériau retrouve son état initial.
« La plupart des matériaux photoactifs cessent de fonctionner lorsque la source lumineuse disparaît », a déclaré Stupp. « Notre matériau permet une forme de « photocatalyse à l’obscurité ». »
Grâce à sa capacité à capter, stocker et libérer de l’énergie de manière répétée, ce matériau ouvre la voie à des applications potentielles allant des technologies d’énergie propre et de la dépollution environnementale à l’électronique souple adaptative et aux matériaux programmables. Stupp estime qu’un seul gramme de ce matériau pourrait contenir suffisamment d’énergie pour recharger une montre connectée ou un autre appareil portable.
« Le monde produit d’énormes quantités d’énergie solaire, mais son stockage jusqu’à son utilisation représente un véritable défi », a déclaré Stupp. « Pour le stockage de l’énergie, notre matériau remplit la même fonction qu’une batterie. Cependant, il fonctionne entièrement dans l’eau, ne nécessite ni métal ni plastique et peut être rechargé à l’infini. Ce type de plateforme propre et flexible pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour les énergies renouvelables. »