Energies renouvelables : et si l’on s’inspirait des algues ?

Professeur des Universités au département de Physique de l’Université de Toulon, Jean-Christophe Valmalette révèle pour la première fois comment les algues unicellulaires (phytoplancton) qui peuplent nos océans captent la lumière pour produire de l’énergie. Une découverte qui pourrait améliorer l’efficacité des installations photovoltaïques. L’éditeur de Nature, qui compte parmi les revues scientifiques les plus réputées au monde, lui consacre une parution.

Pourquoi vous intéressez-vous aux diatomées ?

Les diatomées, ces algues unicellulaires (phytoplancton) qui peuplent les océans, sont à l’origine de près d’un quart de la production d’oxygène que nous respirons ! Si la capture de la lumière par les plantes terrestre a été largement étudiée, les chercheurs n’avaient jusqu’à présent jamais pu visualiser directement la propagation de la lumière au sein des algues unicellulaires vivant dans les océans. Les chercheurs de l’Université de Trondheim (Norvège) ont sollicité ceux de l’Université de Toulon* pour relever le défi que constitue la mise en place d’un dispositif hyperspectral original capable de concevoir des images de la propagation de l’ensemble du spectre solaire au travers d’une seule diatomée de quelques dizaines de microns de diamètre. Soit environ le diamètre d’un cheveux.

Qu’ont révélé vos travaux ?

Pour la première fois, nous avons démontré comment les diatomées capturent la lumière au moyen de leur enveloppe de silice structurée à l’échelle nanométrique. Nous avons mesuré le trajet que fait la lumière jusqu’au cœur de la cellule, montré notamment que les motifs 3D complexes de ces « coquilles » de silice permettent de conduire avec une efficacité remarquable les grains de lumière captés par la chlorophylle, et indispensable à la photosynthèse, jusqu’au cœur même de la cellule. Ces coquilles de silice sont de véritables puits de lumière qui jouent pleinement leur rôle quelque soit l’inclinaison de la diatomée par rapport à la lumière incidente du soleil.

Comment expliquez-vous que les chercheurs n’aient menés ces travaux plus tôt ?

D’une part la difficulté expérimentale car l’on a dû faire des mesures optiques sur des diatomées dont les dimensions sont à peine plus grandes que le diamètre d’un cheveu. D’autre part, il y a aussi le fait que les structures biologiques restent encore très en marge des sujets qui intéressent les physiciens. Principalement en raison de leur complexité et de leur caractère unique. Aucune diatomée n’est strictement identique à une autre.

Qu’est-ce que cela pourrait changer à notre quotidien ? Quelles applications pourraient être développées ?

D’abord un autre regard sur le vivant et ses structures complexes dont la beauté et l’immense diversité n’ont d’égal que l’ampleur de l’enjeu perpétuel du vivant : capter l’énergie lumineuse pour survivre. Nul doute que ces motifs inspireront à l’avenir la conception de dispositifs à très haute efficacité de conversion, et cela à partir de "matériaux vert" qui sont déjà élaborés par le vivant au cœur des océans. La structure des diatomées pourrait, par exemple, inspirer les constructeurs de panneaux photovoltaïques. Mais on peut imaginer d’autres applications dans les domaines des détecteurs optiques à très forte sensibilité. Nous y travaillons actuellement en collaboration avec des universités japonaises.

Pouvez-vous nous en dire plus ?

Nous travaillons sur le prolongement de ces caractérisations optiques à d’autres espèces de diatomées qui présentent des symétries différentes, notamment bi-axiales, et qui pourraient être à l’origine de phénomènes encore mal compris. Nous avons d’ailleurs collecté de nouveaux échantillons ce mois-ci à Okinawa, grâce à un soutien du JSPS, un organisme de financement de la recherche japonais. Dans un autre thème, nous cherchons à comprendre le rôle des interfaces hydrophobes (interfaces qui sont au cœur de toute structure biologique) dans les phénomènes de nanostructuration. Autrement dit, que devient l’eau lorsqu’elle se trouve au voisinage d’une surface qui n’aime pas l’eau ? Il semblerait qu’une très fine couche de l’eau d’interface possède des propriétés différentes de l’eau présente en volume. Cette couche serait peut-être à l’origine de phénomènes encore inexpliqués mais déterminants dans l’élaboration et le contrôle des nanostructures. Mais il est encore trop tôt pour en parler davantage. Nous réalisons des expériences complémentaires afin de vérifier des premiers résultats inattendus.

*L’UTLN est reconnue dans le domaine de l’optique appliquée aux systèmes biologiques (cf : publications dans Scientific Reports de l’éditeur britanique Nature en 2012 sur la capture de la lumière par un insecte et en septembre dernier sur l’analyse par spectroscopie d’un mécanisme sensoriel chez un autre insecte)