En route vers la photosynthèse artificielle

Depuis plus d’un siècle, les chimistes rêvent de copier la nature. Ce biomimétisme vise plus précisément à imiter la photosynthèse des plantes. Ces petites centrales vertes transforment l’eau et le dioxyde de carbone en glucose (sucre) et oxygène grâce à la lumière du Soleil. Produire de l’énergie propre à partir de simples photons (particules de lumière), c’est le Graal. Cependant, reproduire ce miracle à l’échelle moléculaire pour créer un carburant n’a rien d’une promenade dans les bois. En effet, un photon permet de déplacer un seul électron (particule négative). Or, il en faut plusieurs pour synthétiser une molécule et ce n’est pas évident de capter plusieurs photons. De plus, chaque électron cherche à reprendre sa place, le «trou» positif qu’il a laissé. Résultat: cette recombinaison de charges empêche l’énergie de s’accumuler pour «faire» la chimie.

La star du jour est une pentade (voir figure ci-dessous): une molécule composée de 5 modules reliés entre eux par des connecteurs. Deux donneurs d’électrons (D₁ et D₂), un photosensibilisateur central (PS) à base de ruthénium (un métal de transition), et 2 accepteurs d’électrons (A₁ et A₂).

Lorsqu’un premier photon frappe le photosensibilisateur, le module sensible à la lumière, un électron s’envole du donneur 1 vers l’accepteur 1. C’est le premier état de séparation de charges (ESC-1): un trou positif est créé sur D₁ et un électron excédent est placé sur A₁.

Très vite, la molécule réarrange ses électrons pour éloigner les charges positive et négative aux extrémités de la pentade (sur D₂ et A₂). Un nouvel état de séparation de charges apparaît (ESC-2), qui garde un électron et un trou séparés par 44 ångströms (4,4 nanomètres). Cette distance minuscule suffit pourtant à stabiliser l’énergie. Il n’y a pas de recombinaison de charges pendant 120 microsecondes, une éternité à l’échelle atomique.

Et ce n’est pas fini: lorsque la molécule reçoit un second photon, elle recommence le processus sur les sites redevenus neutres (D₁ et A₁). C’est le troisième état de séparation de charges (ESC-3): 2 électrons et 2 trous: un véritable stockage d’énergie.

Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé une astuce de conception: placer les premiers électrons transférés loin du centre photosensible. Ainsi, lors du second éclair, la molécule se comporte presque comme si elle était neuve, évitant la recombinaison des charges déjà stockées.

Les expériences menées à Bâle montrent que ce système fonctionne à des intensités lumineuses cent mille fois plus faibles que celles exigées par les montages précédents. En clair: il pourrait, à terme, fonctionner à la lumière du jour. Ce n’est pas encore un dispositif prêt à produire des carburants comme l’hydrogène, mais c’est une preuve solide qu’une molécule bien dessinée peut accumuler des électrons de manière contrôlée. L’intérêt est immense car comprendre ces mécanismes fondamentaux, c’est préparer le terrain pour des catalyseurs solaires capables, un jour, de scinder l’eau ou de capturer le gaz carbonique.

Certes, la durée de vie du dernier état, autour de 100 nanosecondes, reste courte pour des réactions chimiques complexes, et l’expérience s’effectue encore dans un solvant pur, en atmosphère contrôlée. Néanmoins, cette découverte repousse les limites du délai entre 2 absorptions de photons: avec un bond d’un facteur 10 millions !

C’est une étape essentielle vers une chimie solaire réellement efficace, où la lumière du Soleil deviendra le moteur direct de réactions propres et durables. Un jour peut-être, nos carburants, nos engrais et nos plastiques seront produits par des usines moléculaires imitant l’humble chimie d’une feuille d’arbre.