Une nouvelle méthode transforme les coquilles d'algues en matériaux fonctionnels technologiquement pertinents

Des scientifiques ont transformé des algues unicellulaires en matériaux pérovskites fonctionnels. L'équipe dirigée par des scientifiques du B CUBE - Center for Molecular Bioengineering de l'Université technique de Dresde a converti des coquilles minérales d'algues en pérovskites d'halogénure de plomb aux propriétés physiques réglables. Les nouvelles pérovskites ont des nano-architectures uniques que la production synthétique conventionnelle ne permet pas d'obtenir. La méthode peut être appliquée à la production de masse de pérovskites aux propriétés structurelles et électro-optiques réglables à partir d'organismes unicellulaires. Les résultats ont été publiés dans la revue Advanced Science.

Les pérovskites sont des matériaux de plus en plus populaires pour un large éventail d'applications en raison de leurs remarquables propriétés électriques, optiques et photoniques. Les matériaux pérovskites ont le potentiel de révolutionner les domaines de l'énergie solaire, de la détection, de la photocatalyse, des lasers, etc.

Les propriétés des pérovskites peuvent être adaptées à des applications spécifiques en modifiant leur composition chimique et leur architecture interne, y compris la distribution et l'orientation de leur structure cristalline. À l'heure actuelle, la capacité d'influencer ces propriétés est massivement limitée par les méthodes de fabrication. Une équipe de scientifiques de l'université technique de Dresde a réussi à créer des pérovskites dotées de nano-architectures et de propriétés cristallines uniques à partir d'algues, en tirant parti des années d'évolution de ces organismes unicellulaires.

Tirer parti de l'évolution

"Les organismes unicellulaires ont réagi pendant des centaines de millions d'années à un large éventail de facteurs environnementaux tels que la température, le pH et le stress mécanique. En conséquence, certains d'entre eux ont évolué pour produire des biomatériaux absolument uniques, exclusifs à la nature", explique Igor Zlotnikov, chef de groupe de recherche au B CUBE - Center for Molecular Bioengineering, qui a dirigé l'étude. "Les minéraux formés par les organismes vivants présentent souvent des caractéristiques structurelles et cristallographiques qui dépassent de loin les capacités de production offertes par les méthodes synthétiques actuelles."

L'équipe s'est intéressée à L. granifera, un type d'algue qui utilise la calcite pour former des coquilles. Ces coquilles sphériques ont une architecture cristalline unique. Les cristaux sont alignés radialement, ce qui signifie qu'ils s'étendent du centre de la sphère vers l'extérieur. "Les méthodes actuelles de fabrication des pérovskites ne permettent pas de produire synthétiquement des matériaux de ce type. Nous pouvons toutefois essayer de transformer les structures naturelles existantes en matériaux fonctionnels tout en conservant leur architecture originale", ajoute le Dr Zlotnikov.

Tuning chimique

Pour transformer les coquilles minérales naturelles des algues en pérovskites fonctionnelles, l'équipe a dû remplacer des éléments chimiques dans la calcite. Pour ce faire, ils ont adapté une méthode mise au point par leurs collaborateurs de l'institut AMOLF d'Amsterdam. Au cours de la transformation, les scientifiques ont pu produire différents types d'architectures cristallines en modifiant la composition chimique du matériau. Ils ont ainsi pu affiner leurs propriétés électro-optiques.

En convertissant les coquilles de calcite en halogénures de plomb avec de l'iode, du bromure ou du chlorure, l'équipe a pu créer des pérovskites fonctionnelles optimisées pour émettre uniquement de la lumière rouge, verte ou bleue.

Prêts pour une mise à l'échelle

"Nous montrons pour la première fois que les minéraux produits par des organismes unicellulaires peuvent être transformés en matériaux fonctionnels technologiquement pertinents. Au lieu d'entrer en concurrence avec la nature, nous pouvons tirer parti des années d'adaptation évolutive qu'elle a déjà subies", déclare le Dr Zlotnikov.

La méthode mise au point par son équipe peut être transposée à plus grande échelle, ce qui permettra à l'industrie de tirer parti des algues et de nombreux autres organismes unicellulaires formant de la calcite pour produire des matériaux fonctionnels présentant des formes et des propriétés cristallographiques uniques.