Une nouvelle molécule rend la photosynthèse artificielle proche de la réalité

Remplacer la photosynthèse naturelle

Directement ou indirectement, une grande partie de l’énergie que nous utilisons a été produite par la photosynthèse.

Cela est bien sûr vrai pour les calories qui alimentent notre corps, mais aussi, en fin de compte, pour les combustibles fossiles, qui ne sont que des restes de photosynthèse « stockés » provenant de plantes mortes il y a des éons.

Ainsi, de nombreux efforts visant à rendre notre système énergétique et alimentaire plus écologique ont été consacrés soit à l’amélioration de la photosynthèse naturelle, soit à la réduction de la pollution de l’air. en l'exploitant pour de nouvelles utilisations, comme la création de biocarburants à partir d'algues.

Construire ce projet à grande échelle pourrait s’avérer crucial pour limiter la concentration croissante de CO2 dans l’atmosphère.

Et si nous pouvions imiter le processus de photosynthèse sans avoir recours à des organismes vivants ? Après tout, il s’agit d’un processus électrochimique qui ne nécessite pas nécessairement de cellules vivantes. C’est la promesse de la « photosynthèse artificielle ».

Cela augmenterait notre capacité à capter l’énergie solaire d’un cran par rapport au photovoltaïque, qui ne peut « que » créer de l’électricité à partir de la lumière du soleil, mais n’affecte pas directement les réactions chimiques.

Certains progrès ont été réalisés, notamment vers une production d'hydrogène semblable à la photosynthèse, mais davantage de travail est nécessaire pour une réplique plus proche.

Comment fonctionne la photosynthèse dans la nature

Chez les plantes, la photosynthèse est, grosso modo, dans sa forme la plus simple : le processus d'absorption de CO2 et d'eau, d'utilisation de la lumière comme source d'énergie et de production de glucides et d'oxygène.

Source: Britannique

À première vue, il semble que cela puisse être réduit à une équation chimique très simple et puisse être facilement reproduit artificiellement.

Source: Britannique

C'est une autre histoire quand on regarde comment cela se fait réellement.

La photosynthèse des plantes est en réalité l’une des machines biochimiques les plus complexes, avec des dizaines de réactions intermédiaires, une myriade de sous-composants et parfois des mécanismes moléculaires moins bien compris impliquant des mouvements d’électrons élaborés.

L'explication synthétique de ce sujet dans l'encyclopédie Britannica ne compte pas moins de 10,000 XNUMX mots.

Les scientifiques qui l'étudient doivent faire face à des schémas bien plus complexes pour commencer à avoir un aperçu de la photosynthèse :

Source: Apprentissage Lumen

Bien que principalement utilisée dans la nature pour créer des glucides, la photosynthèse pourrait, en théorie, être utilisée pour de nombreuses autres applications utilisant la lumière comme source d'énergie, comme par exemple la synthèse d'hydrogène à partir de l'eau (photocatalyse).

Un processus similaire de déplacement d'électrons et d'ions induit par la lumière pourrait également être utilisé pour créer artificiellement des sucres. C'est l'idée sur laquelle travaillent trois scientifiques de l'Université de Bâle (Suisse). Ils ont récemment publié une étude dans Nature Chemistry.¹ leurs résultats concernant une nouvelle molécule qui pourrait être utilisée pour la photosynthèse artificielle, sous le titre «Accumulation de double charge photoinduite dans un composé moléculaire ».

Construction de chlorophylle artificielle

Molécules multi-charges

La photosynthèse naturelle repose sur une série de réactions électrochimiques. Elle nécessite donc un état de séparation de charges (CSS), dans lequel une molécule porte à la fois une charge positive et une charge négative.

Il est important de noter que les réactions de formation de carburant nécessitent plusieurs électrons, et non un seul, ce qui a été jusqu’à présent le meilleur résultat que les systèmes de photosynthèse artificielle pouvaient obtenir.

Pour la réduction du CO2 en particulier, le transfert multi-électrons semble essentiel, c'est pourquoi la plupart des solutions de photosynthèse artificielle se sont jusqu'à présent concentrées sur la production d'hydrogène.

C'est là que la découverte des chercheurs suisses change la donne, avec la création d'une molécule spéciale capable de générer et de stocker simultanément quatre charges sous irradiation lumineuse – deux positives et deux négatives.

Source: Nature

Comment ça marche?

La molécule contient une partie centrale sensible à la lumière qui génère un mouvement d'électrons en réponse. Les chercheurs ont adopté une approche séquentielle utilisant deux flashs lumineux.

Le premier éclair de lumière frappe la molécule et déclenche une réaction dans laquelle une charge positive et une charge négative sont générées et se déplacent vers l'extrémité opposée de la molécule.

Lors du deuxième éclair de lumière, la même réaction se produit à nouveau, de sorte que la molécule contient alors deux charges positives et deux charges négatives.

Source: Nature

Sensibilité à la lumière améliorée

L'étape séquentielle, utilisant la lumière dans un processus en 2 étapes, est non seulement importante pour accumuler une double charge électrique à chaque extrémité de la molécule, mais aussi pour réduire l'énergie requise pour chaque étape, lui permettant de fonctionner avec une intensité lumineuse plus faible qu'auparavant.

Source: Nature

« En conséquence, nous nous rapprochons déjà de l’intensité de la lumière du soleil.

Les recherches antérieures nécessitaient une lumière laser extrêmement puissante, ce qui était bien loin de la vision de la photosynthèse artificielle.

Mathis Brändlin – Doctorant à l'Université de Bâle

Pourquoi cette molécule est une avancée clé

Une autre qualité de cette nouvelle molécule est qu’elle conserve sa charge suffisamment longtemps pour être utilisée pour alimenter d’autres réactions chimiques, un élément indispensable pour tout système complet de photosynthèse artificielle.

« Nous avons identifié et mis en œuvre une pièce importante du puzzle.

Nous espérons que cela nous aidera à contribuer à de nouvelles perspectives pour un avenir énergétique durable. »

Par Olivier Wenger – Université de Bâle

Avec une rétention de charge de 120 microsecondes (un millier à un million de fois meilleure qu'avant), cela devrait être suffisant pour les réactions chimiques, même si la durée idéale se mesurerait en secondes.

Ainsi, comparée aux molécules photosensibles à charge unique, ou à un seul type de charge, testées dans des expériences passées, il s'agit de la molécule la plus prometteuse jusqu'à présent pour le développement de la photosynthèse artificielle.

D’autres ajustements à la conception pourraient améliorer sa capacité à fonctionner dans une intensité lumineuse naturelle ou à conserver les charges électriques encore plus longtemps.

L’autre élément clé d’un processus de photosynthèse artificielle qui reste à concevoir est un pigment avec des états excités à haute énergie, ainsi que des catalyseurs appropriés pour fournir une puissance redox suffisante pour la séparation de l’eau ou la réduction du CO2.

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Investir dans l’innovation durable

DuPont

DuPont est une entreprise chimique de grande envergure avec de nombreux produits chimiques de marque importants, tels que le Kevlar, le polystyrène, le Nomex (protection contre l'incendie), Great Stuff (adhésif de construction), etc. Ses recherches avancées sur les polymères et ses marques de matériaux de protection pourraient le positionner pour bénéficier des technologies de métamatériaux à double réseau.

DuPont est une société ancienne avec une histoire complexe d’acquisitions et, plus récemment, une série de scissions.

Source: DuPont

Ces spin-offs ont séparé de DuPont les départements de nutrition et de biosciences, en partie vendus à Corteva Biosciences (CTVA -0.95 %), produits en titane pour former la société Chemours (CC -1.05%), et la mobilité.

Elle se séparera également de son activité de produits chimiques électroniques en novembre 2025, mais conserve le segment eau (membranes et filtres pour la purification et le dessalement de l'eau), contrairement aux plans antérieurs.

Source: DuPont

DuPont deviendra ainsi une entreprise beaucoup plus ciblée, avec une activité principale dans les polymères avancés pour les équipements de purification et de protection de l'eau, ainsi que dans les matériaux avancés pour l'aérospatiale, la santé et les véhicules électriques.

Source: DuPont

DuPont est une entreprise véritablement internationale, avec une forte demande de produits chimiques spécialisés dans la purification de l'eau et la fabrication industrielle.

Les secteurs desservis par les produits chimiques DuPont sont également très variés, notamment la construction, la purification de l’eau, l’industrie électronique, l’automobile, l’aérospatiale, la santé, l’énergie verte et la production industrielle.

Source: DuPont

En ce qui concerne la photosynthèse artificielle, l'entreprise chimique travaille sur la technologie grâce à des partenariats avec le monde universitaire, notamment avec l'Université Penn.

« L’objectif de cette recherche collaborative est de développer un protocole informatique largement applicable… pour accélérer la sélection de matériaux photoactifs capables de décomposer efficacement l’eau en hydrogène et en oxygène. »

La forte présence de DuPont dans le secteur des équipements de protection et sa position établie avec la marque Kevlar, un polymère haute performance, devraient l'aider à adapter de nouvelles formes de métamatériaux à des produits commerciaux. Sa présence dans le secteur des énergies vertes devrait également favoriser la commercialisation de produits chimiques pour le futur procédé de photosynthèse artificielle.

Quoi qu’il en soit, à mesure que les nouvelles technologies se développent, ainsi que la consommation d’eau, la demande pour les produits chimiques avancés produits par DuPont augmente également.

Actualités et développements récents concernant l'action Dupont (DD)

Étude référencée

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, OS Accumulation de double charge photoinduite dans un composé moléculaire. Nature. Chimiehistoire.  (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}