Des scientifiques ont découvert que la photosynthèse naturelle présente des caractéristiques similaires à celles des condensats d’exciton, un état énergétique sans frottement qui nécessite généralement des températures extrêmement basses. Cette découverte pourrait améliorer la conception des technologies et permettre de doubler l’efficacité énergétique.
Des chercheurs de l’Université de Chicago espèrent que les « îlots » de condensation d’excitons pourraient ouvrir la voie à de nouvelles découvertes.
Dans un laboratoire, des scientifiques s’émerveillent d’un état étrange qui se forme lorsqu’ils refroidissent des atomes à un niveau proche du zéro absolu. Pendant ce temps, juste derrière leur fenêtre, des arbres absorbent la lumière du soleil et la transforment en nouvelles feuilles. Ces deux scénarios peuvent sembler totalement étrangers l’un à l’autre, mais une étude récente de l’université de Chicago suggère que ces processus ne sont pas aussi distincts qu’il n’y paraît à première vue.
Publiée dans la revue PRX Energy, l’étude établit des liens au niveau atomique entre le processus de photosynthèse et les condensats d’excitons, un étrange état de la physique qui permet à l’énergie de circuler sans friction à travers un matériau. Selon les auteurs, cette découverte est non seulement fascinante d’un point de vue scientifique, mais elle pourrait également offrir de nouvelles perspectives pour la conception d’appareils électroniques.
« Pour autant que nous le sachions, ces domaines n’ont jamais été reliés auparavant, nous avons donc trouvé cela très convaincant et passionnant », a déclaré le co-auteur de l’étude, le professeur David Mazziotti.
Le laboratoire de Mazziotti est spécialisé dans la modélisation des interactions complexes des atomes et des molécules qui présentent des propriétés intéressantes. Il n’existe aucun moyen de voir ces interactions à l’œil nu, et la modélisation informatique peut donc permettre aux scientifiques de comprendre pourquoi ce comportement se produit, et peut également servir de base à la conception de technologies futures.
Mazziotti et les coauteurs de l’étude, Anna Schouten et LeeAnn Sager-Smith, ont notamment modélisé ce qui se passe au niveau moléculaire lors de la photosynthèse.
Lorsqu’un photon du soleil frappe une feuille, il provoque un changement dans une molécule spécialement conçue à cet effet. L’énergie fait tomber un électron. L’électron, et le « trou » où il se trouvait auparavant, peut maintenant voyager autour de la feuille, transportant l’énergie du soleil vers une autre zone où il déclenche une réaction chimique pour produire des sucres pour la plante.
L’ensemble de cette paire d’électrons et de trous qui se déplace est appelé « exciton ». Lorsque l’équipe a pris une vue d’ensemble et modélisé la façon dont plusieurs excitons se déplacent, elle a remarqué quelque chose d’étrange. Ils ont observé des schémas dans les trajectoires des excitons qui leur semblaient remarquablement familiers.
En fait, cela ressemblait beaucoup au comportement d’un matériau connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein, parfois appelé « cinquième état de la matière ». Dans ce matériau, les excitons peuvent s’associer dans le même état quantique, un peu comme un ensemble de cloches qui sonnent parfaitement juste. Cela permet à l’énergie de se déplacer dans le matériau sans aucun frottement. (Ces types de comportements étranges intriguent les scientifiques car ils peuvent être à l’origine de technologies remarquables – par exemple, un état similaire appelé supraconductivité est à la base des appareils d’IRM).
Selon les modèles créés par Schouten, Sager-Smith et Mazziotti, les excitons d’une feuille peuvent parfois se lier d’une manière similaire au comportement d’un condensat d’excitons.
Ce fut une énorme surprise. Les condensats d’excitons n’ont été observés que lorsque le matériau est refroidi à une température nettement inférieure à la température ambiante. C’est un peu comme si des glaçons se formaient dans une tasse de café chaud.
« La récolte photosynthétique de la lumière a lieu dans un système à température ambiante et, qui plus est, sa structure est désordonnée, ce qui est très différent des matériaux cristallisés vierges et des températures froides que l’on utilise pour créer des condensats d’excitons », explique Schouten.
Cet effet n’est pas total, il s’agit plutôt d' »îlots » de condensats qui se forment, précisent les scientifiques. « Mais cela reste suffisant pour améliorer le transfert d’énergie dans le système », a déclaré Sager-Smith. En fait, leurs modèles suggèrent que cela peut même doubler l’efficacité.
Selon Mazziotti, cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour la création de matériaux synthétiques destinés aux technologies futures. « Un condensat d’excitons idéal est délicat et nécessite de nombreuses conditions spéciales, mais pour des applications réalistes, il est passionnant de voir quelque chose qui augmente l’efficacité et qui peut se produire dans des conditions ambiantes. »
Selon Mazziotti, cette découverte s’inscrit dans une approche plus large que son équipe explore depuis une dizaine d’années.
Les interactions entre les atomes et les molécules dans des processus tels que la photosynthèse sont incroyablement complexes – difficiles à gérer même pour un superordinateur – et les scientifiques ont donc traditionnellement dû simplifier leurs modèles afin de les maîtriser. Mais Mazziotti pense que certains éléments doivent être conservés : « Nous pensons que la corrélation locale des électrons est essentielle pour comprendre le fonctionnement réel de la nature.
Référence : « Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting » par Anna O. Schouten, LeeAnn M. Sager-Smith et David A. Mazziotti, 28 avril 2023, PRX Energy.
DOI: 10.1103/PRXEnergy.2.023002