Une nouvelle molécule rapproche la photosynthèse artificielle de la réalité

Remplacer la photosynthèse naturelle

Directement ou indirectement, une énorme partie de l’énergie que nous utilisons a été produite par la photosynthèse.

Ceci est, bien sûr, vrai pour les calories qui alimentent nos corps, mais aussi, en fin de compte, pour les combustibles fossiles, qui ne sont que de la photosynthèse « stockée » provenant de plantes mortes il y a des éons.

Ainsi, de nombreux efforts pour rendre notre système énergétique et alimentaire plus vert ont été consacrés soit à améliorer la photosynthèse naturelle, soit à l’exploiter pour de nouvelles utilisations, comme la création de biocarburants à partir d’algues.

La produire à grande échelle pourrait s’avérer crucial pour limiter l’augmentation de la concentration de CO₂ dans l’atmosphère.

Mais que se passerait‑il si nous pouvions imiter le processus de photosynthèse sans devoir manipuler d’organismes vivants ? C’est, après tout, un processus électrochimique qui ne nécessite pas nécessairement de cellules vivantes. C’est la promesse de ce que l’on appelle la « photosynthèse artificielle ».

Cela élèverait notre capacité à capter l’énergie du soleil d’un cran au‑dessus du photovoltaïque, qui ne peut « que » créer de l’électricité à partir de la lumière solaire, mais n’affecte pas directement les réactions chimiques.

Some progress has been made, notamment vers une production d’hydrogène semblable à la photosynthèse, but more work is needed for a closer replica.

Comment la photosynthèse fonctionne dans la nature

Chez les plantes, la photosynthèse est, en gros, sous sa forme la plus simple. Le processus consiste à absorber le CO₂ et l’eau, à utiliser la lumière comme source d’énergie, et à produire des glucides et de l’oxygène.

Source: Britannica

À première vue, il semble que cela puisse être réduit à une équation chimique très simple et qu’il serait facile de la reproduire artificiellement.

Source: Britannica

C’est une autre histoire quand on examine comment cela se fait réellement.

La photosynthèse végétale est en réalité l’un des mécanismes biochimiques les plus complexes, avec des dizaines de réactions intermédiaires, une myriade de sous‑composants, et parfois des mécanismes moléculaires peu compris impliquant des déplacements d’électrons élaborés.

L’explication synthétique de ce sujet dans l’encyclopédie Britannica est no less than 10,000 words.

Les scientifiques qui l’étudient doivent gérer des schémas beaucoup plus complexes pour obtenir ne serait‑ce qu’un aperçu de la photosynthèse:

Source: Lumen Learning

Bien que principalement utilisée dans la nature pour créer des glucides, la photosynthèse pourrait, en théorie, être employée pour de nombreuses autres applications utilisant la lumière comme source d’énergie, comme, par exemple, la synthèse d’hydrogène à partir de l’eau (photocatalyse).

Un processus similaire de déplacement d’électrons et d’ions induit par la lumière pourrait également être utilisé pour créer des sucres artificiellement. C’est l’idée sur laquelle trois scientifiques de l’Université de Bâle (Suisse) travaillent. Ils ont récemment publié dans Nature Chemistry¹ leurs résultats concernant une nouvelle molécule qui pourrait être utilisée pour la photosynthèse artificielle, sous le titre « Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound ».

Construire du chlorophylle artificiel

Molécules à charges multiples

La photosynthèse naturelle repose sur une série de réactions électrochimiques. En conséquence, elle nécessite un état dit séparé de charge (CSS), où une molécule porte simultanément une charge positive et une charge négative.

Il est important de noter que les réactions de formation de carburant nécessitent plusieurs électrons, pas seulement un, ce que les systèmes de photosynthèse artificielle ont pu atteindre jusqu’à présent.

Pour la réduction du CO₂ en particulier, le transfert multi‑électron semble essentiel, ce qui explique également pourquoi la plupart des solutions de photosynthèse artificielle à ce jour se sont concentrées sur la génération d’hydrogène.

C’est là que la découverte des chercheurs suisses change la donne, avec la création d’une molécule spéciale capable de générer et de stocker simultanément quatre charges sous irradiation lumineuse – deux positives et deux négatives.

Source: Nature

Comment cela fonctionne‑t‑il ?

The molecule contains a center part that is sensitive to light and generates an electron move in response. The researchers took a sequential approach using two flashes of light.

The first flash of light hits the molecule and triggers a reaction in which a positive and a negative charge are generated, and move toward the opposite end of the molecule.

With the second flash of light, the same reaction occurs again, so that the molecule then contains two positive and two negative charges.

Source: Nature

Sensibilité à la lumière améliorée

L’étape séquentielle, utilisant la lumière en un processus en deux étapes, est non seulement importante pour accumuler une double charge électrique à chaque extrémité de la molécule, mais aussi pour réduire l’énergie requise à chaque étape, permettant ainsi son fonctionnement à une intensité lumineuse plus faible qu’auparavant.

Source: Nature

« En conséquence, nous nous rapprochons déjà de l’intensité de la lumière solaire. 

Les recherches antérieures nécessitaient une lumière laser extrêmement puissante, ce qui était très éloigné de la vision de la photosynthèse artificielle.

Mathis Brändlin – Doctorant à l’Université de Bâle

Pourquoi cette molécule représente une avancée clé

Une autre qualité de cette nouvelle molécule est qu’elle conserve sa charge pendant une durée suffisamment longue pour être utilisée afin d’alimenter d’autres réactions chimiques, un critère indispensable pour tout système complet de photosynthèse artificielle.

« Nous avons identifié et mis en œuvre une pièce importante du puzzle. 

Nous espérons que cela nous aidera à contribuer à de nouvelles perspectives pour un avenir énergétique durable.

Prof. Oliver Wenger – Université de Bâle

Avec une rétention de charge de 120 microsecondes (de mille à un million de fois meilleure qu’auparavant), cela devrait être suffisant pour les réactions chimiques, même si la durée idéale serait mesurée en secondes.

Ainsi, comparée aux molécules photosensibles à charge unique, ou à un seul type de charge, testées dans les expériences passées, c’est la molécule la plus prometteuse pour le développement de la photosynthèse artificielle à ce jour.

Des ajustements supplémentaires du design pourraient améliorer sa capacité à fonctionner à l’intensité lumineuse naturelle ou à retenir les charges électriques encore plus longtemps.

L’autre composante clé d’un processus de photosynthèse artificielle qui reste à concevoir est un pigment avec des états excités à haute énergie, ainsi que des catalyseurs appropriés pour fournir une puissance redox suffisante pour le découpage de l’eau ou la réduction du CO₂.

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Investir dans l’innovation durable

DuPont

DuPont est une immense entreprise chimique avec de nombreux produits chimiques de marque importants, tels que le Kevlar, le polystyrène expansé, le Nomex (protection contre le feu), le Great Stuff (adhésif de construction), etc. Sa recherche avancée sur les polymères et ses marques de matériaux protecteurs pourraient la positionner pour bénéficier des technologies de métamatériaux à double réseau.

DuPont est une société ancienne avec une histoire complexe d’acquisitions et, plus récemment, une série de scissions.

Source: DuPont

Ces scissions ont séparé de DuPont les départements de nutrition et de biosciences, partiellement vendus à Corteva Biosciences (CTVA -0,95 %), les produits en titane pour former la société Chemours (CC -1,05 %), et la mobilité.

Elle se séparera également de son activité de produits chimiques électroniques en novembre 2025, but retain the water segment (membranes and filters for water purification and desalination), contrary to earlier plans.

Source: DuPont

Cela laissera DuPont comme une entreprise beaucoup plus ciblée, avec une activité principale dans les polymères avancés pour la purification de l’eau et les équipements de protection, ainsi que des matériaux avancés pour l’aérospatiale, les soins de santé et les véhicules électriques.

Source: DuPont

DuPont est une véritable corporation internationale, avec une forte demande de produits chimiques spécialisés dans la purification de l’eau et la fabrication industrielle.

Les secteurs desservis par les produits chimiques de DuPont sont également très variés, incluant la construction, la purification de l’eau, l’industrie électronique, l’automobile, l’aérospatiale, les soins de santé, l’énergie verte et la production industrielle.

Source: DuPont

Concernant la photosynthèse artificielle, la société chimique travaille sur la technologie par le biais de partenariats avec le monde académique, notamment avec l’Université Penn.

« L’objectif de cette recherche collaborative est de développer un protocole informatique largement applicable … afin d’accélérer la sélection de matériaux photoactifs capables de scinder efficacement l’eau en hydrogène et en oxygène. »

Le fort positionnement de DuPont dans les équipements de protection et la position établie avec la marque Kevlar, un polymère haute performance, devrait l’aider à adapter de nouvelles formes de métamatériaux en produits commerciaux. Et sa présence dans le secteur de l’énergie verte devrait aider à commercialiser les produits chimiques pour le processus commercial éventuel de la photosynthèse artificielle.

En tout cas, à mesure que les nouvelles technologies se développent, tout comme la consommation d’eau, la demande pour les produits chimiques avancés produits par DuPont augmente également.

Dernières nouvelles et développements des actions Dupont (DD)

Étude référencée

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, O.S. Accumulation double de charge photoinduite dans un composé moléculaire. Nature. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}