Un phototransistor en graphène et... de la chorophylle

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Dans le cadre des recherches sur la photosynthèse artificielle, des scientifiques ont découvert une curiosité prometteuse : les propriétés inattendues d'un phototransistor constitué de graphène et de chlorophylle.

Le 27/06/2013 à 14:32 - Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

La chlorophylle est présente à haute concentration dans les chloroplastes des cellules végétales vivantes. On voit sur cette image, prise dans le visible avec un microscope, des cellules avec chloroplastes. © Wilfredo R. et Rodriguez H., Wikipédia, DP

Si l’on pouvait réaliser de la photosynthèse artificielle ou produire de l'hydrogène en utilisant l’énergie du Soleil avec des systèmes performants et à bas coût, cela changerait le cours de l’histoire de l’humanité, selon le scénario imaginé par Freeman Dyson dans son livre Le soleil, le génome et Internet.

L’idéal serait d’arriver à construire des cellules photovoltaïques ayant un rendement comparable à celui des plantes. Il se trouve en effet que la chlorophylle est l’une des substances les plus efficaces pour convertir la lumière en énergie électrique. Mais malheureusement, malgré des recherches intensives dans bien des laboratoires de par le monde, les différents dispositifs découverts pour faire de la photosynthèse artificielle sont encore loin d’égaler les plantes.

C’est visiblement ce qu’ont cherché à faire des chercheurs de l’Institute of Atomic and Molecular Sciences à Taïwan, comme le montre leur article déposé sur arxiv.

Un phototransistor en chlorophylle

Plutôt que d’imiter la chlorophylle, les physiciens ont tenté de l’utiliser en l’interfaçant avec un dispositif électronique. L’idée est élégante et ingénieuse, puisque la chlorophylle est naturellement abondante autour de nous.

Une représentation d’une structure en nid d'abeille d'un feuillet de graphène. Le graphite de nos crayons est un empilement de telles structures. © Jannik Meyer

Les chercheurs sont ainsi parvenus à créer une sorte de phototransistor dont on peut imaginer des applications, non pas pour produire directement de l'énergie mais en optronique. Pour réussir cet exploit, ils ont eu l’idée de se servir du graphène, un matériau qui suscite de nombreux espoirs. L’Union européenne ne s’est d’ailleurs pas trompée sur le potentiel de ce matériau miracle, puisqu’elle a décidé de financer des recherches à son sujet à hauteur d'un milliard d’euros.

Pour fabriquer leur phototransistor à chlorophylle, les physiciens ont d’abord connecté deux électrodes en argent à un feuillet de graphène. Puis ils ont employé une méthode de dépôt nommée « drop casting ». En l’occurrence, il s’agissait de déposer une goutte de liquide contenant de la chlorophylle sur la surface du feuillet de graphène, et de la laisser s’évaporer. Ils ont alors obtenu un feuillet de graphène recouvert d’une couche de chlorophylle.

Graphène et chlorophylle, une combinaison électrique

Les chercheurs ont constaté que cette couche avait une influence significative sur les propriétés du feuillet de graphène. Lorsqu'il est seul et soumis à une différence de potentiel, on ne constate que le passage d’un faible courant entre les électrodes, même en illuminant le dispositif. Ce n’était plus le cas avec une couche de chlorophylle : lorsque ce pigment naturel est soumis à un rayonnement d’une fréquence bien spécifique, le courant passant à travers le feuillet devient beaucoup plus intense. Très clairement, les électrons libérés par la chlorophylle sous l’action des photons de la lumière se retrouvent dans le feuillet de graphène. Selon les chercheurs, on a même un rapport d’un million d’électrons pour un photon absorbé par la couche de chlorophylle.

Tout ceci n’est encore qu’une curiosité de laboratoire. Mais elle prouve qu’il est possible de créer une symbiose entre des molécules de systèmes organiques et des dispositifs électroniques issus de la nanotechnologie. Espérons que cette piste de recherche aboutira et concrétisera les rêves de Dyson, car les prédictions alarmantes du Club de Rome (un groupe de réflexion de scientifiques fondé en 1968) concernant l’avenir de l’humanité ont encore été confirmées dans leur rapport de 2012.