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Stocker de l'énergie dans un gel contractile

Aurélie Dureuil

Des chercheurs strasbourgeois ont développé un gel à partir de polymères et de machines moléculaires. S'activant avec la lumière, ce gel se contracte et stocke l'énergie.

Créer un muscle qui se contracte sous l'action de la lumière, mettre au point un gel pour le stockage de l'énergie lumineuse... Les applications d'un gel qui se contracte sous l'action de la lumière et offre des capacités de stockage de cette énergie sont multiples. C'est un tel gel qui a été développé par une équipe CNRS de l'Institut Charles Sadron à l'Université de Strasbourg. « Depuis les années 80, les travaux sur les machines moléculaires s'intensifient, mais cela restait concentré sur des machines uniques. On produit une machine capable de produire un mouvement à l'échelle d'une molécule. Leur action reste généralement à l'échelle du nanomètre », constate Nicolas Giusep-pone, professeur à l'université de Strasbourg. C'est en partant de ce constat que son équipe à l'Institut Charles Sadron a débuté ses travaux en 2011. « Nous avons essayé de trouver des solutions pour coupler des machines moléculaires les unes avec les autres. Notre travail de recherche consiste à comprendre comment nous pouvons avoir quelque chose d'utilisable à notre échelle », précise le directeur de l'équipe dédiée à la synthèse et l'auto-assemblage moléculaires et supramoléculaires. Les chercheurs se sont donc intéressés à ces machines moléculaires pour voir « comment les faire fonctionner ensemble, comment elles communiquent, comment on peut amplifier leur mouvement... », détaille le professeur. Son équipe a mis au point des moteurs moléculaires « très spécifiques », constitués de deux parties qui peuvent tourner l'une par rapport à l'autre, produisant un mouvement de rotation à l'échelle du nanomètre. « De tels moteurs chiraux produisent une rotation unidirectionnelle quand ils sont poussés loin de l'équilibre », souligne les chercheurs dans un article publié en début d'année dans Nature Nanotechnology. Cette rotation repose sur une réaction d'isomérisation sur la double liaison centrale de cet édifice moléculaire et sur une inversion thermique de l'hélice, le tout effectué sous l'effet de la lumière UV comme le confirme Nicolas Giuseppone : « Nos moteurs, sous l'action de la lumière, tournent de manière unidirectionnelle et continue, à grande vitesse ». Les chercheurs ont alors attaché à ce moteur des polymères afin de créer un maillage, chaque moteur représentant alors un noeud de réticulation. Une fois activés par la lumière, les moteurs développés par son équipe fonctionnent de manière coordonnée et enroulent alors les chaînes polymères du gel sur elles-mêmes, ce qui a pour effet de contracter le gel. Les travaux de l'unité strasbourgeoise ont montré que cette contraction peut représenter jusqu'à 80 % du volume de ce gel.

 

Coupler des moteurs moléculaires à l'aide de polymères

 

Les chercheurs ont ainsi atteint leur but de faire « fonctionner ensemble ces moteurs moléculaires pour qu'ils communiquent ensemble et amplifient leur mouvement afin d'obtenir un ensemble coopératif à notre échelle », se félicite Nicolas Giuseppone. Il ajoute : « C'est la première fois qu'on arrive à coupler de vrais moteurs moléculaires, c'est-à-dire des systèmes hors de l'équilibre thermodynamique, qui fonctionnent de la même manière que les moteurs des systèmes vivants. Ces moteurs consomment de l'énergie et produisent un travail en continu. Quand l'énergie n'est plus fournie, le système s'arrête ».

Et l'intérêt de ce système repose d'abord sur la diversité des polymères qui peuvent être fixés sur les moteurs. « Si le moteur nous a demandé beaucoup de développements pour obtenir ce système très spécifique, les chaînes polymères peuvent être très diverses, aussi bien hydrophiles qu'hydrophobes », précise Nicolas Giuseppone. Ce qui offre la possibilité d'une grande diversité de gels contractiles. L'autre axe de développement de ce système repose, quant à lui, sur le stockage de l'énergie. « Au fur et à mesure qu'on éclaire le matériau, il se contracte. L'énergie des photons est convertie en énergie mécanique. Avec ce système, nous sommes capables de stocker cette énergie lumineuse », détaille Nicolas Giuseppone. Et le système, « après une longue période d'irradiation », connaît une « rupture » et retrouve alors son volume initial. La question que se posent maintenant les chercheurs : « Comment va-t-on pouvoir réutiliser cette énergie ? ». Nicolas Giuseppone imagine déjà de nombreuses applications. « Libérer l'énergie captée dans les moteurs signifie être capable de libérer la tension qui y existe et réutiliser cette énergie pour autre chose, par exemple en catalyse ». Il cite également des applications de robotique avec ces « structures complètement différentes du vivant mais ayant les mêmes propriétés thermodynamiques ». Les gels contractiles strasbourgeois ouvrent donc la porte à de nombreuses applications qu'il faut maintenant concrétiser.

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