Silicium et Soleil

Dans son bureau en bord de mer surplombant le canal de Santa Barbara, Daniel Morse déballe soigneusement l'un de ses précieux spécimens. Un treillis complexe de fibres de verre brillantes, il ressemble à une œuvre d'art abstrait ou à un modèle architectural détaillé d'un gratte-ciel. Mais c'est en fait le squelette de l'un des organismes multicellulaires les plus primitifs encore existants, une espèce d'éponge marine communément appelée corbeille de fleurs de Vénus. Morse, biologiste moléculaire à l'Université de Californie à Santa Barbara, veut savoir comment une créature aussi simple peut assembler une structure aussi compliquée. Et puis il veut mettre ces connaissances en pratique, en créant ses propres structures exotiques.

Daniel Morse détient une espèce d'éponge marine communément connue sous le nom de panier de fleurs de Vénus. (Crédit : Gregg Segal)

La modeste éponge a trouvé une solution remarquable à un problème qui a intrigué les meilleurs chimistes et scientifiques des matériaux du monde pendant des décennies : comment obtenir des matériaux inorganiques simples, tels que le silicium, pour s'assembler en nano- et microstructures complexes. Actuellement, fabriquer un dispositif à micro-échelle – disons, un transistor pour une puce électronique – signifie le découper physiquement dans une plaque de silicium ; c'est un processus coûteux et exigeant. Mais la nature a des moyens beaucoup plus simples de créer des microstructures tout aussi complexes en utilisant uniquement la chimie, en mélangeant des composés dans la bonne combinaison. La méthode de l'éponge est particulièrement élégante. Assis sur le fond marin à des milliers de mètres sous la surface du Pacifique occidental, l'éponge extrait l'acide silicique de l'eau de mer environnante. Il convertit l'acide en dioxyde de silicium-silice-qui, dans un exploit remarquable d'ingénierie biologique, il s'assemble ensuite en une structure tridimensionnelle précise qui est reproduite dans les moindres détails par chaque membre de son espèce.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2006

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

Ce qui rend les réalisations des éponges si impressionnantes, dit Morse, c'est qu'elles ne nécessitent pas les produits chimiques toxiques et les températures élevées nécessaires à la fabrication humaine de structures inorganiques complexes. L'éponge, dit-il, peut assembler des structures complexes beaucoup plus efficacement que les ingénieurs travaillant avec les mêmes matériaux semi-conducteurs.

Cette créature primitive et un certain nombre d'autres organismes marins sont devenus une source d'inspiration pour les chercheurs qui espèrent trouver des moyens plus simples et moins chers de construire des structures inorganiques, telles que des dispositifs à semi-conducteurs, à utiliser dans les puces informatiques, les matériaux avancés et les cellules solaires. L'objectif est de faire en sorte que le silicium et d'autres éléments inorganiques s'auto-assemblent en une électronique fonctionnelle de la même manière que l'éponge assemble la silice en formes complexes. (voir Autres dans Matériaux Bio-Inspirés ,) . Les installations de fabrication de semi-conducteurs à forte intensité énergétique et d'un milliard de dollars pourraient alors être remplacées par des cuves de composés réactifs. Mais alors que les processus industriels pratiques sont encore loin, les scientifiques commencent à comprendre comment les éponges et autres créatures marines accomplissent leurs miracles de micro-ingénierie.

Morse et son équipe, par exemple, utilisent déjà des astuces biologiques apprises de l'éponge pour fabriquer de nouvelles formes de semi-conducteurs dotés de propriétés électroniques intrigantes, notamment la capacité de convertir la lumière en électricité, propriétés qui pourraient être utiles pour fabriquer des cellules solaires moins chères et plus efficaces. . Son groupe, dit Morse, construit des structures qui n'avaient jamais été réalisées auparavant.

Commencer à partir de zéro

Les réservoirs d'eau de mer à l'extérieur du laboratoire de Morse regorgent d'étoiles de mer colorées et de corallimorphaires, des créatures exotiques semblables aux anémones de mer. Mais Morse et James Weaver, un post-doctorant au laboratoire, s'intéressent davantage à une tache de couleur rouille d'apparence banale : une éponge puffball orange, un type d'éponge qui vit habituellement dans les crevasses rocheuses juste au large de la côte de Santa Barbara. Si la corbeille de fleurs de Vénus est la cathédrale de verre des éponges, c'est la paillote. La créature informe semble ne pas avoir de squelette du tout ; mais une fois que les chercheurs ont dissous la matière vivante de son extérieur, il reste une poignée de minuscules aiguilles de verre, chacune de seulement deux millimètres de long et plus fine qu'un cheveu humain.

Bien que Morse veuille finalement comprendre les squelettes d'éponges qui sont plus complexes, ces simples aiguilles sont un bon point de départ. Les scientifiques savent depuis longtemps qu'au cœur des aiguilles de verre se trouvent des brins de protéines, mais personne n'a compris ce qu'ils faisaient ou comment ils étaient liés à la construction des aiguilles. Morse et ses collègues ont donc commencé par isoler le code génétique de l'une des protéines - qu'ils appelaient en tant que famille les silicatéines - et ont analysé leurs résultats dans une énorme base de données de protéines connues. Ils ne s'attendaient pas à un match, mais ils en ont trouvé un – immédiatement. La protéine était similaire à une protéase, une enzyme trouvée dans l'intestin humain qui est impliquée dans la dégradation et la digestion des aliments.

C'était très bizarre, dit Weaver. Pourquoi la protéine qui modèle la formation du squelette vitreux d'une éponge a-t-elle quelque chose à voir avec une protéase ? Les chercheurs ont commencé à soupçonner que les silicatéines faisaient plus que simplement servir de modèle passif. En effet, ils ont découvert que contrairement à toute autre enzyme étudiée précédemment, une silicatéine peut faire double emploi. Il produit activement des matériaux de construction tels que l'oxyde de silicium - dans un sens, en digérant des composés dans l'eau de mer - et amène ensuite les matériaux à s'aligner sur toute sa longueur pour former le verre en forme d'aiguille du squelette de l'éponge. Aucune enzyme de ce type n'avait été découverte, dit Morse, dans toutes les études sur la biominéralisation, qui durent depuis quelques centaines d'années.

Morse a estimé que si les silicatéines étaient si efficaces pour produire de l'oxyde de silicium, elles pourraient également être capables de produire les types d'oxydes métalliques qui font de bons semi-conducteurs dans l'électronique et dans certains types de cellules solaires. Il avait raison. À 16 degrés Celsius, la température à laquelle l'éponge vit dans l'eau froide juste au large de notre laboratoire, dit Morse, cette enzyme catalysera la formation et stabilisera la formation de formes cristallines de semi-conducteurs à oxyde métallique qui ne peuvent pas être fabriqués de manière conventionnelle. sauf à des températures très élevées.

Le résultat a suggéré un moyen moins coûteux de fabriquer des semi-conducteurs à des températures plus basses, mais il y avait un problème potentiel : la contamination. Un biologiste est extatique lorsqu'il obtient une pureté de, disons, 90 pour cent. Un chimiste est extatique lorsqu'il obtient une pureté de 99%, déclare Morley Stone, un biochimiste qui dirige la recherche en biotechnologie et en matériaux pour les laboratoires de recherche de l'Air Force à la base aérienne de Wright-Patterson, près de Dayton, OH. Mais un ingénieur en électronique ou quelqu'un d'autre qui a besoin de fabriquer des appareils - ils veulent voir des matériaux qui ont au moins cinq neuf de pureté derrière eux. Il ajoute : Souvent, lorsque vous adoptez ces approches biologiques, vous pouvez faire pousser des choses intéressantes et obtenir des morphologies intéressantes, mais elles sont loin d'avoir la pureté finale dont vous auriez besoin dans un appareil final.

Morse et ses collègues savaient que s'ils espéraient fabriquer des matériaux semi-conducteurs pour des cellules solaires bon marché mais efficaces, ils auraient probablement besoin d'une technique de synthèse chimique qui s'inspirerait des éponges mais éviterait la biologie désordonnée. Le secret de l'éponge, ils ont découvert, était que les groupes chimiques amine et hydroxyle de l'enzyme produisent l'oxyde de silicium et l'assemblent de la manière requise. Cela signifiait que tous les produits chimiques nécessaires à une nouvelle technique de synthèse pouvaient être trouvés dans l'ammoniac et l'eau. Les chercheurs ont découvert qu'en mélangeant des molécules contenant les précurseurs des oxydes métalliques dans de l'eau, puis en exposant le mélange à de l'ammoniac gazeux, ils pouvaient créer des films minces de semi-conducteurs hautement cristallins, des matériaux utiles pour l'électronique. C'est la percée qui nous amène dans le domaine de l'utilité pratique, dit Morse.

De plus, les cristaux ont une nanostructure complexe qui pourrait améliorer les performances des dispositifs photovoltaïques. Près de la surface de l'eau, la concentration d'ammoniac gazeux est relativement forte, c'est donc là que le cristal semi-conducteur commence à se former. Cependant, au fur et à mesure que l'ammoniac se diffuse plus profondément dans l'eau, des cristaux se développent dans le mélange, produisant un film mince qui n'est pas uniforme mais comprend plutôt un réseau d'aiguilles ou de plaques plates de quelques milliardièmes de mètre d'épaisseur chacune. Ce réseau pourrait être la base d'une cellule solaire plus efficace.

Rêves solaires

Les cellules solaires au silicium cristallin qui dominent actuellement le marché photovoltaïque sont chères, si chères que l'énergie qu'elles produisent coûte plusieurs fois plus que l'énergie générée par les combustibles fossiles. L'une des raisons est le prix élevé de leurs matières premières. Le silicium est extrêmement abondant sur terre, mais il n'existe pas en tant qu'élément pur ; au lieu de cela, il est lié à l'oxygène et à d'autres éléments, dans le sable, par exemple. Faire du silicium pur nécessite beaucoup d'énergie.

Pour réduire les coûts des cellules solaires, les chercheurs ont cherché des moyens de réduire la quantité de silicium qu'elles utilisent. Certains se sont tournés vers des films minces moins chers fabriqués à partir de tellurure de cadmium ou de diséléniure de cuivre et d'indium. Des couches extrêmement minces de ces nouveaux semi-conducteurs peuvent absorber la même quantité de lumière que des plaques plus épaisses de silicium cristallin. La technique de fabrication de Morse pourrait être un moyen peu coûteux de fabriquer de tels films minces ; de plus, la nanostructure que produit sa méthode est particulièrement bien adaptée pour absorber la lumière et la convertir en énergie.

Un défi dans la conception de cellules solaires est de s'assurer que les électrons délogés lorsque la lumière frappe un semi-conducteur créent un courant. Lorsqu'un photon frappe un matériau de cellule solaire, le résultat est à la fois un électron libre et son homologue positif, appelé trou. Si ceux-ci peuvent être séparés rapidement vers des électrodes opposées, un courant électrique en résulte. Cependant, la difficulté de les séparer avant qu'elles ne se recombinent et ne dissipent de l'énergie sous forme de chaleur est l'un des principaux obstacles aux cellules solaires à plus haut rendement, explique Aravinda Kini, responsable du programme de recherche sur les matériaux biomoléculaires au département américain de l'Énergie.

Les structures de Morse pourraient surmonter ce barrage routier. Le réseau de projections cristallines pourrait être immergé dans une électrode solide ou liquide transparente. La lumière passerait à travers l'électrode, où elle serait absorbée par le cristal. Étant donné que la surface du film mince structuré est élevée (dans un matériau, 90 à 100 fois celle d'un film mince traditionnel), de nombreuses paires électron-trou générées par la lumière seraient proches de l'interface d'électrode ; en conséquence, ils pourraient se séparer rapidement, un porteur de charge se déplaçant dans l'électrode transparente et l'autre porteur traversant le cristal pour sortir à l'électrode opposée.

Déjà, Morse et ses collègues ont fabriqué plus de 30 types de films minces semi-conducteurs et testé leurs propriétés photovoltaïques. Ils travaillent maintenant à incorporer les semi-conducteurs dans des cellules solaires fonctionnelles. Dans le même temps, Morse continue de développer de nouvelles méthodes d'assemblage de matériaux inspirées de la biologie, en vue d'applications supplémentaires, notamment des dispositifs à semi-conducteurs pour des batteries plus sûres et à plus haute densité de puissance et des puces mémoire plus petites ; il s'intéresse également à la création de fibres laminées pour les matériaux de construction ultrarésistants.

Mais tout excité qu'il soit par les applications potentielles de son travail, Morse reste dans l'âme un biologiste moléculaire. Alors même qu'il explique comment ses recherches pourraient conduire à de meilleures cellules solaires, il regarde par la fenêtre les dauphins s'ébattre dans le port. Et il se consacre toujours à la compréhension du mécanisme derrière la complexité de l'éponge. Une fois de plus, il examine le squelette exquis du panier de fleurs de Vénus, bien qu'il l'ait sans doute vu des milliers de fois. Cela a été fait de verre, par une créature vivante, s'exclame-t-il. C'est incroyable!

Kevin Bullis est Examen de la technologie éditeur de la nanotechnologie et de la science des matériaux.

Autres dans les matériaux bio-inspirés

Chercheur

Objectif

Stratégie

Joanna Aizenberg,

Lucent Technologies, Murray Hill, New Jersey

Matériaux de construction solides et auto-cicatrisants et fibres optiques plus résistantes

Comprendre comment les éponges assemblent les matériaux inorganiques

Illhan Aksay,

Princeton
Université

Matériaux auto-cicatrisants et meilleurs biocapteurs

Enquêter sur les coquillages et autres systèmes biologiques

Angèle Belcher,

AVEC

De meilleures batteries et des matériaux avancés pour l'électronique, l'énergie et la médecine

Ingénierie
virus pour assembler des matériaux

Samuel I. Stupp,

nord-ouest
Université

De meilleurs capteurs et cellules solaires

Utiliser des peptides
diriger la formation de structures inorganiques

cacher