De l'énergie solaire bon marché grâce à des nanocristaux
Un jour viendra où il n’y aura plus de pétrole. Ce jour-là, si nous avons sous la main des panneaux solaires performants et pas trop chers, il faudra peut-être dire merci à Dongling Ma, professeure au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS. Dans son laboratoire, elle fabrique des nanomatériaux qui pourraient rendre l’énergie solaire accessible à tous.
Les panneaux solaires actuels, faits de silicium, sont onéreux. En plus, ils ont un gros défaut : ils ne transforment en électricité que la lumière visible du Soleil, pas les rayons infrarouges. Or, ces rayons chauds et invisibles représentent près de la moitié de l’énergie solaire qui atteint la Terre. Quel gaspillage ! Des scientifiques de partout dans le monde tentent donc de créer des panneaux capables d’absorber les infrarouges. Dongling Ma vient de surmonter le défi grâce à des nanomatériaux créés de toutes pièces dans son laboratoire ! Les nanomatériaux sont construits avec des « briques » infiniment petites, qui leur donnent des propriétés fabuleuses. Dongling Ma est tombée sous leur charme pendant son doctorat aux États-Unis : « Ces matériaux sont tellement fascinants ! Ils permettent de faire des choses incroyables ! ». À partir de sulfure de plomb — un minerai très abondant — la chercheure a fabriqué de minuscules cristaux qui ne renferment que quelques centaines d’atomes. À cette échelle, on entre dans un nouveau monde qui ne répond plus aux lois de la physique classique. Ici, c’est la physique quantique qui règne en maître. Mais pour comprendre comment ce monde diffère de celui qu’on connaît, il faut d’abord rappeler le principe de base de l’énergie solaire. En gros, lorsqu’une particule de lumière ou photon frappe le matériau, elle arrache un électron à un atome. C’est ce flux d’électrons qui crée un courant électrique.
Des boîtes qui changent de couleur
Dans notre monde, pour le sulfure de plomb par exemple, ce phénomène n’est possible que pour la lumière d’une certaine « couleur ». Mais à l’échelle nanométrique, le sulfure de plomb devient changeant. Plus on rapetisse la taille du cristal — qu’on appelle « boîte quantique » — plus la lumière qu’il absorbe tire vers le bleu. Au contraire, plus le cristal grossit, plus il « boit » de la lumière rouge. Attention : les rayons ne sont vraiment ni rouges ni bleus puisque nous sommes dans l’infrarouge et non le visible. Mais le principe est le même… Dongling Ma a créé un nanocristal capable d’absorber des rayons solaires de différentes fréquences simplement en changeant sa taille. Comme si le cristal était le bouton d’un poste de radio permettant de syntoniser différentes fréquences ! Dans son laboratoire, Dongling Ma montre la « boîte à gants » dans laquelle elle fabrique ses petites merveilles. Cet instrument très populaire chez les chimistes est une enceinte vitrée percée de deux trous dans lesquels passent deux longs gants caoutchoutés. Les scientifiques manipulent avec ces gants des cristaux d’une pureté extrême. Pour éviter toute contamination, l’air de l’enceinte a été remplacé par un gaz inerte : l’azote ! Dongling Ma explique qu’en empilant des boîtes quantiques de différentes tailles les unes sur les autres, on obtient un matériau capable d’absorber toute une gamme de rayons infrarouges. Fini le gaspillage ! Des spaghettis nanométriques
Mais quelques nanocristaux ne suffisent pas pour avoir une cellule solaire. Il reste encore à acheminer les électrons arrachés jusqu’à une électrode... Pour y arriver, Dongling a collé ses cristaux sur des nanotubes de carbone, les structures-vedettes de la nanotechnologie. Ces longs spaghettis vides à l’intérieur agissent ici comme des mini fils électriques qui aspirent les électrons libérés et les envoient vers une des électrodes de la cellule solaire, créant ainsi le courant électrique tant recherché. Dongling Ma est bien fière de ses cellules solaires qui absorbent les rayons infrarouges. Pour l’instant, il ne s’agit que d’un prototype dont les performances ne sont pas encore optimisées. Mais quand elles le seront, ses cellules solaires pourraient devenir une alternative intéressante aux panneaux de silicium. Bien qu’elles ne convertiront pas autant d’énergie solaire en électricité que ces derniers — qui sont difficiles à battre avec leur taux de conversion de 15 à 20 % — leur bas prix jouerait en leur faveur. Autre avantage : alors que les panneaux de silicium sont rigides, ceux faits de ces nanomatériaux seraient flexibles. On pourrait donc les utiliser sur toutes sortes de surfaces : carrosserie de voiture, vêtements, lampadaires, toiture, etc. Chimie verte et virus
Mais les nanomatériaux de la chercheure venue de Chine ont bien d’autres tours dans leur sac. Ils lui ont aussi permis de faire avancer un nouveau domaine : celui de la chimie verte — une nouvelle façon de faire de la chimie qui utilise moins d’énergie et génère moins de polluants. Son équipe a conçu un nouveau catalyseur, c’est-à-dire une solution qui accélère la réaction entre deux substances. Traditionnellement, on utilise pour ce faire des métaux lourds, des polluants difficiles à récupérer à la fin de la réaction. Mais les nanoparticules de l’INRS sont magnétisées ; elles attirent les substances près d’elles, ce qui augmente les chances d’interaction, mais elles peuvent aussi être récupérées à la fin avec un simple aimant ! Ce nouveau catalyseur peut donc être réutilisé autant de fois qu’on le veut ! Plus de pertes, ni de déchets toxiques ! Ses nanocristaux pourraient aussi s’avérer utiles dans le domaine biomédical ; par exemple, pour suivre le mouvement d’un virus dans une cellule. « Ça pourrait nous aider à comprendre comment les virus nous infectent », dit-elle. Donc peut-être à les stopper avant que la maladie ne s’installe… Chose certaine : les nanomatériaux livrent leurs promesses. Et l’émerveillement de Dongling Ma à leur égard n’en est que plus grand, de jour en jour… ? (c) Institut national de la recherche scientifique, 2012 / Tous droits réservés / Photos (c) Christian Fleury
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