Il y a trois ans, des chercheurs de l’université de Dresde (Allemagne) ont eu une idée : étudier les architectures minérales nanostructurées des algues et essayer de les reproduire, créer de nouveaux matériaux.
L’équipe a précisément étudié certaines espèces d’algues unicellulaires, à savoir la Leonella granifera, capable de produire des parois cellulaires minéralisées nanostructurées très régulières et a tenté de de transformer leurs coquilles minérales en nanostructures de pérovskite des nanostructures monocristallines d’halogénure de plomb nanoporeux.
L’étude, INSPIRÉS PAR LA NATURE : LES ALGUES UNICELLULAIRES SE TRANSFORMENT EN NOUVEAUX NANOMATÉRIAUX a donné le coup d’envoi du projet de recherche DinoLight, mené par des équipes du B CUBE – Centre for Molecular Bioengineering et de la Faculté de chimie et de chimie alimentaire.
« La nature offre de magnifiques architectures minérales nanostructurées. Parmi elles, certaines espèces d’algues unicellulaires produisent des parois cellulaires minéralisées nanostructurées très régulières qui sont d’excellents modèles pour nous. », a déclaré le Dr Anne Jantschke, experte en culture et caractérisation des microalgues.
« Dans ce projet, nous voulons convertir ces coquilles minérales en nanostructures monocristallines de pérovskite à base d’halogénure de plomb hautement ordonnées. »ajoute le Dr Igor Zlotnikov, chef du groupe de recherche au B CUBE.
Bien que de nombreux organismes soient capables de former de telles structures à partir de différents minéraux, à première vue, il n’est pas possible d’obtenir des résultats satisfaisants. il n’était pas certain que de tels matériaux nanostructurés tridimensionnels puissent être conçus et produits.
Les pérovskites obtenues étaient donc analysées avec des méthodes de caractérisation des matériaux de pointe dans le laboratoire du Dr. leurs propriétés optiques évaluées dans le laboratoire du professeur Michael Schlierf, chef du groupe de recherche et directeur du B CUBE.
Les scientifiques ont ensuite étudié les nanomatériaux convertis, en vérifiant s’ils émettent de la lumière et leur potentiel dans le domaine des cellules solaires, des LED ou des lasers.
La dernière étape a été franchie il y a un mois, avec la publication de l’étude Recruter des algues unicellulaires pour la production de masse de pérovskites nanostructuréespublié dans la revue Advanced Science.
L’article illustre comment l’équipe, à partir d’un modèle de la paroi cellulaire de l’algue L. granifera, a transformé de la calcite biogène en pérovskites nanostructurées.
Les chercheurs ont obtenu trois variantes de pérovskites les halogénures de plomb avec des longueurs d’onde de des pics d’émission allant du bleu au vert en passant par le proche infrarouge.
L’approche utilisée peut être reproduite pour la production en masse de pérovskites nano-architecturales avec des propriétés d’isolation. les propriétés morphologiques, texturales et physiques souhaitéesen exploitant les nombreux modèles fournis par les organismes unicellulaires formant de la calcite.
« Le réglage fin des propriétés des pérovskites pour diverses applications est généralement réalisé par un contrôle de la composition et de la structure au cours de la préparation des pérovskites d’halogénure de plomb. La forte relation structure-propriété-fonction conduire d’énormes efforts synthétiques pour produire une variété de morphologies à l’échelle nanométrique, telles que des bâtonnets, des cubes, des sphères et des matériaux 2D en utilisant différentes approches de dépôt chimique humide et de dépôt chimique en phase vapeur… », sJe lis dans la note d’introduction de l’étude « … Par conséquent, bien que les structures nano-architecturales soient censées offrir de meilleures performances, actuellement, nous sommes encore limités dans notre capacité à produire des assemblages de pérovskite morphologiquement et structurellement complexes.. »
Au contraire, les minéraux formés par des organismes vivants présentent des formes qui diffèrent sensiblement des minéraux formés de manière abiotique.
Les caractéristiques des unités minérales produites biologiquement et composant les différents tissus minéralisés, à toutes les échelles – des propriétés du réseau cristallin à l’échelle atomique à la forme de l’unité entière à l’échelle macroscopique – reflètent des centaines de millions d’années d’évolution sous des contraintes fonctionnelles, écologiques et phylogénétiques.
Carbonate de calcium biogène (CaCO3), par exemple, est modelé par divers organismes dans les formes nano-architecturales les plus complexestout en conservant son nature monocristalline.
Influencés par les matériaux biologiques fonctionnels, les domaines de la biominéralisation, de la bioprospection, du biomimétisme et de la bioinspiration sont devenus des disciplines scientifiques importantes.
La communauté scientifique tente de comprendre les principes de formation et de fonctionnement des biominéraux en exploitant ces nouvelles disciplines, la plupart de ces études utilisent les produits naturels comme système – modèle, laissant la matière biologique inexploitée..
Et c’est là que cette recherche a pris un autre chemin.
L’équipe a tenté de transformer des coquilles minérales algues naturelles L. granifera dans les pérovskites fonctionnellesen remplaçant les éléments chimiques dans la calcite.
Pour ce faire, ils ont adapté une méthode développée par leurs collaborateurs de l’Institut AMOLF à Amsterdam.
Au cours de la transformation, les scientifiques ont pu produire différents types d’architectures cristallines, en modifiant la composition chimique du matériau.
Plus précisément, on a essayé de convertir les coquilles de calcite en halogénures de plomb avec de l’iode, du bromure ou du chlorure.
« 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 exploiter les années d’adaptation évolutive qu’elle a déjà subies. »a déclaré le Dr Zlotnikov.
L’équipe, dans sa note de recherche finale, a déclaré :
« Dans ce travail, nous établissons une voie pour la production évolutive de sphères pérovskites nano-architecturales avec des morphologies contrôlables et, par extension, leurs propriétés électro-optiques, en utilisant de la matière biogène comme matériau de départ. La culture durable d’algues calcitiques unicellulaires présentant de nombreuses autres morphologies, textures cristallographiques et ultrastructures complexes à l’échelle nanométrique et mésométrique, telles que les coccolithophores et les dinoflagellés, est bien développée. Par conséquent, l’approche présentée peut être utilisée pour la production en masse de pérovskites nano-architecturales présentant les caractéristiques physiques souhaitées, héritées du vaste ensemble de propriétés structurelles et texturales fournies par les algues calciques unicellulaires. »
