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Biologie quantique : des OGM pour améliorer les cellules photovoltaïques

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Les cellules photovoltaïques seront-elles un jour capables de rivaliser avec les cellules vivantes des plantes réalisant la photosynthèse ? C'est en tout cas l'espoir de chercheurs qui s'appuient sur la physique quantique et sur des manipulations génétiques pour inventer une nouvelle génération de cellules solaires.

La capacité des cellules végétales à convertir l'énergie solaire en énergie chimique pour faire de la photosynthèse dépasse encore largement celle des cellules photovoltaïques à produire de l'électricité. © Anderson Mancini, CC by 2.0

La convergence Nanotechnologies, biotechnologies, informatique et sciences cognitives (NBIC) fait référence à un champ scientifique multidisciplinaire qui se situe au carrefour des nanotechnologies (N), des biotechnologies (B), de l'intelligence artificielle (I) et des sciences cognitives (C). Cela fait des années que Joël De Rosnay parle d'une telle convergence. La récente publication d'un article dans Nature Materialspar une équipe internationale de chercheurs en poste au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et dans des laboratoires de recherche italiens montre à quel point il a raison. Il s'agit d'un travail à la frontière de plusieurs domaines :

  • celui des manipulations génétiques conduisant aux organismes génétiquement modifiés (OGM) ;
  • celui de la théorie quantique de la photosynthèse ;
  • celui de la création de cellules photovoltaïques capables de rivaliser avec les cellules vivantes des plantes lorsqu'elles effectuent la photosynthèse.

On est encore loin de pouvoir maîtriser le feu nucléaire pour la production industrielle d'électricité - même si Iter, et surtout Demo, nous donnent l'espoir d'y parvenir dans quelques décennies, d'ici 2045 environ. Bien avant cela, pour faire face aux défis qui s'annoncent redoutables, il nous faudrait donc déjà pouvoir exploiter plus efficacement l'énergie solaire. Il y a quelques années, le célèbre spécialiste des ordinateurs quantiques Seth Lloyd a commencé à développer des idées intéressantes dans cette direction. Nous savons que la chimie est quantique par essence mais on s'interroge sur l'existence d'effets quantiques à une échelle plus grande que celle des atomes, pas loin de l'échelle des cellules, que la vie aurait réussi à utiliser pour optimiser bien des processus qui la caractérisent.

Lentement est ainsi en train d'émerger une nouvelle discipline : la biologie quantique. Les recherches dans ce domaine ont conduit à penser que la photosynthèse, si efficace, exploite des effets de cohérence quantique.

Seth Lloyd, né le 2 août 1960, est professeur au MIT. Ses travaux portent sur le tout jeune domaine de l'information quantique. © Dmitry Rozhkov

De la biologie quantique avec des excitons

Seth Lloyd a suivi depuis 2008 cette piste avec des collègues et ils ont développé la théorie de ce qui a été appelé l'effet boucles d'or quantique (Quantum Goldilocks Effect en anglais) en référence au fameux conte Boucles d'or et les Trois Ours. Mais de quoi s'agit-il ?

Pour le comprendre il faut savoir que les organismes effectuant la photosynthèse utilisent pour cela des groupements d'atomes que l'on appelle des chromophores. Bombardés par des photons qu'ils absorbent, ils sont le lieu de la formation de quasiparticules neutres, des paquets quantiques d'énergie que l'on appelle des excitons. Ces quanta sautent alors de chromophore en chromophore pour rejoindre un centre réactionnel dans les cellules où leur énergie peut être utilisée pour fabriquer les molécules nécessaires aux fonctions vivantes. Ce processus de transport de l’énergie serait normalement assez peu efficace du fait des mouvements chaotiques et désordonnés des excitons dans toutes les directions s'il n'était assisté par des effets de cohérence quantique.

Tout se passe en quelque sorte comme si les fameuses amplitudes quantiques associées à l'état des particules sondaient les divers chemins possibles pour les excitons pour déterminer lequel permet un transfert d'énergie optimal vers un centre réactionnel. Tout comme dans l'histoire de Boucles d'or, où l'enfant finit par trouver ce qui lui est le plus adapté, l'effet boucles d'or quantique permet ce transport optimal d'énergie par les plantes qui fait tant rêver les ingénieurs voulant remplacer l'énergie fossile par l'énergie solaire.

Une présentation du travail des chercheurs du MIT sur l'effet boucles d'or quantique avec des virus. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © YouTube, Massachusetts Institute of Technology

L'ingénierie génétique au service du photovoltaïque ?

Il y a toutefois un caveat. Pour que cet effet fonctionne, les chromophores doivent être à une distance idéale les uns des autres. Or justement, lors d'un colloque auquel il assistait, Seth Lloyd s'est rendu compte que sa collègue, Angela Belcher, travaillait sur l'ajout de chromophores à des virus en transformant leurs génomes, ainsi que sur les transports d'excitons qu'ils permettaient. Lloyd s'est demandé s'il n'y avait pas là un laboratoire naturel pour tester ses idées sur l'effet boucles d'or quantique et ouvrir une voie de recherche pour des cellules photovoltaïques capables de rivaliser avec les cellules végétales.

Une collaboration a débuté et les chercheurs ont ensuite été en mesure de produire de nombreuses variétés de virus, avec des espacements légèrement différents entre les chromophores synthétiques, puis de sélectionner ceux qui les intéressaient. Ils ont finalement réussi à doubler la vitesse de transfert des excitons et surtout à démontrer que l'effet boucles d'or quantique était bel et bien à l'œuvre dans cette augmentation de l'efficacité du transport d'énergie.

Ces résultats sont encourageants mais il ne s'agit là que d'une étape en direction des cellules photovoltaïques du futur. Pour le moment, les virus ne sont capables que de collecter et de transporter de l'énergie. Il est encore impossible de s'en servir pour produire de l'électricité.