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Des diatomées pour le photovoltaïque ? Une idée lumineuse !

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Des diatomées pour le photovoltaïque ? Une idée lumineuse !

Les diatomées sont des algues unicellulaires qui se parent d'une coque de silice appelée frustule, véritable rempart naturel contre le broutage, la mobilité, la flottabilité et régulateur de l'activité photosynthétique. Ali Mcheik, doctorant* au Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP, CNRS/UPMC/Collège de France) et à l'Institut des Nanosciences de Paris (INSP, CNRS/UPMC) s'intéresse aux propriétés optiques de ces structures poreuses et à leur possibles applications dans le domaine du photovoltaïque.

 

Les thèques naturelles

Les frustules de certaines diatomées présentent des propriétés de cristal photonique. Les pores y sont distribués de façon régulière sur la paroi de silice formant un réseau bi ou tridimensionnelle de symétrie hexagonale ou tétragonale. Les frustules de silice focalisent la lumière aussi et se comportent comme des lentilles qui modifie le rayonnement solaire pour optimiser les processus de photosynthèse. Les diatomées qui présentent des propriétés d'iridescence sont également appelées « sea opals ».

 

  

Images en microscopie électronique à balayage (MEB) de l'espèce Thalassiosira oceanica (TO) des diatomées. D. R.

 

Ces micro-algues très facilement cultivables en laboratoire peuvent avoir des applications potentielles en nanotechnologie pour la réalisation de cellules solaires telles que les concentrateurs solaires luminescents par exemple. Il est également possible de modifier chimiquement les frustules de silice sans changer leur forme en introduisant des éléments étrangers dans le milieu de culture.

 

Le travail de thèse d'Ali Mcheik suit trois grands axes :

  • Le choix et la culture des diatomées les mieux adaptées (réseaux de pores, bonne longueur focale...) à l'application visée. Quelques souches ont déjà été ciblées pour leurs propriétés de symétrie. Il s'agit de les cultiver, puis de récupérer les frustules intacts pour pouvoir les caractériser.
  • La caractérisation structurale, morphologique, optique, pour optimiser l'absorption et l'efficacité des structures proposées. Il faudra également trouver un moyen efficace pour réaliser un dépôt de diatomées sur un substrat transparent sans les casser et de manière la plus ordonnée possible afin d'optimiser la réponse optique coopérative.
  • L'optimisation de la porosité sera caractérisée en fonction des longueurs d'ondes souhaitées par modification des conditions de culture et évolution des cellules et/ou par fonctionnalisation non-invasive du thèque.

À terme, les diatomées seront intégrées dans un dispositif photovoltaïque pour en caractériser l'efficacité et le caractère innovant.

Pour en savoir plus :

Institut des nanosciences de Paris (INSP, CNRS/UPMC)Nouvelle fenêtre

Laboratoire Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP, CNRS/UPMC/Collège de France)Nouvelle fenêtre

 

* Thèse financée par le labex MATISSENouvelle fenêtre et co-dirigée par Sophie Cassaignon (LCMCP) et Serge Berthier (INSP) en collaboration avec Pascal Lopez du Laboratoire Biologie des Organismes et Écosystèmes Aquatiques (BOREA, CNRS/MNHN/UPMC).

 

Équipe « Nanostructures et optique» de l'INSP

Depuis plusieurs années, l'équipe « Nanostructures et optique» travaille sur les structures photoniques naturelles. Elle a montré que les surfaces naturelles du vivant (peau, ailes, élytres, plumes, fourrures) ne sont jamais monofonctionnelles, mais participent à plusieurs fonctions vitales sans n'en privilégier aucune, et ce avec une grande économie de matériaux. La structuration et la complexité de la matière pallie à la pauvreté en matériaux. Le désordre structural assure la multifonctionnalité, l'optimisation en moyenne et la robustesse des effets. L'accent est mis sur la gestion et l'optimisation des flux lumineux lors du développement de dispositifs optiques, comme les panneaux photovoltaïques, héliothermiques, les surfaces d'affichage ou d'éclairage, des revêtements colorés...

 

Références :

Diatoms, Biomineralization Processes and Genomics. Mark Hildebrand, Chem. Rev. 2008, 108, 4855-4874.

Diatoms as living photonic crystals, Fuhrmann et al., App. Phys. B, 2004, 78, 257-260.



09/06/16