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Des chercheurs de l'Université nationale de recherche nucléaire MEPhI ont créé un panneau solaire sur la base d'un matériau hybride composé de boîtes quantiques et de protéines sensibles.

Les auteurs de ce concept pensent qu'il présente un grand potentiel pour l'énergie solaire et le traitement optique de l'information. Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue Biosensors and Bioelectronics.

La bactériorhodopsine, protéine que l'on trouve chez les archées, organismes unicellulaires, sont capables de transformer l'énergie de la lumière en énergie de liaisons chimiques (comme la chlorophylle des plantes) grâce au transfert de la charge positive à travers la membrane cellulaire. La bactériorhodopsine fonctionne comme une «pompe» à protons, ce qui en fait un élément naturel pour les panneaux solaires.

Il existe une grande différence entre la bactériorhodopsine et la chlorophylle: le premier est capable de fonctionner sans oxygène. Cela permet aux archées de vivre dans des milieux très agressifs tels que les profondeurs de la mer Morte, ce qui a conduit à leur haute stabilité chimique, thermique et optique au fil de l'évolution. Sachant qu'en «dopant» le proton, la bactériorhodopsine change plusieurs fois de couleur en un milliardième de seconde, c'est pourquoi c'est une matière prometteuse pour créer des processeurs holographiques.

Les chercheurs de l'université MEPhI ont réussi à améliorer significativement ces propriétés de la bactériorhodopsine avec une liaison de boîtes quantiques - des nanoparticules semi-conductrices capables de concentrer l'énergie lumineuse à une échelle de seulement quelques nanomètres et de la transmettre à sa bactériorhodopsine sans émettre de lumière.

«Nous avons créé une cellule photosensible très efficace qui génère un courant électrique sous l'effet de la lumière avec une très basse énergie des photons. Dans les conditions ordinaires une telle cellule ne fonctionne pas, car les molécules photosensibles comme la bactériorhodopsine absorbent la lumière uniquement dans un intervalle très étroit d'énergies. Alors que les boîtes quantiques le font dans un très large intervalle et peuvent même transformer deux photons à basse énergie en un photon à haute énergie - en les combinant en quelque sorte», a déclaré Viktor Krivenkov, l'un des auteurs de l'étude et chercheur à l'université MEPhI.

D'après lui, en créant les conditions pour le rayonnement d'un photon à haute énergie, la boîte quantique peut ne pas l'émettre, mais le transmettre à la bactériorhodopsine. De cette manière, l'université MEPhI a obtenu une cellule capable de fonctionner sous un rayonnement dans un intervalle entre l'ultraviolet et l'infrarouge.

«Nous adoptons une approche interdisciplinaire à la charnière de la chimie, de la biologie, de la physique des nanoparticules et de la photonique. Les boîtes quantiques sont obtenues par des méthodes de synthèse chimique et sont couvertes de molécules rendant leur surface à la fois biocompatible et chargée, après quoi elles relient à la surface des bactériorhodopsines les archées Halobacterium salinarum contenant des membranes pourpres. Au final, nous avons des complexes hybrides où l'efficacité du transfert d'énergie de la boîte quantique à la bactériorhodopsine est très élevée (près de 80%)», a déclaré Igor Nabiev, chercheur en chef du laboratoire de nano-bioingénierie de l'université MEPhI.

Selon les auteurs de l'étude, les résultats obtenus démontrent le potentiel de création d'éléments photosensibles très efficaces à base de biostructures. Ils sont applicables non seulement dans l'énergie solaire, mais également dans le traitement optique de l'information.

Les auteurs soulignent une qualité très élevée de la matière nano-bio-hybride et la perspective de dépasser les meilleurs modèles commerciaux avec une éventuelle augmentation considérable de l'efficacité. L'objectif suivant du groupe de recherche consiste à optimiser la structure des cellules photosensibles.

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Tags:
énergie solaire, énergie, recherche, Université nationale de recherche nucléaire (MEPhI)
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