Un nouveau matériau récupère l'énergie de son environnement
Des ingénieurs du MIT ont découvert une nouvelle façon de produire de l’électricité en utilisant de minuscules particules de carbone qui peuvent créer un courant simplement en interagissant avec le liquide qui les entoure. Le liquide, un solvant organique, attire les électrons hors des particules, générant un courant qui pourrait être utilisé pour piloter des réactions chimiques ou pour alimenter des robots à l’échelle micro ou nanométrique, expliquent les chercheurs.
De minuscules particules de carbone
Dans une nouvelle étude décrivant ce phénomène, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient utiliser ce courant électrique pour produire une réaction connue sous le nom d’oxydation de l’alcool – une réaction chimique organique importante dans l’industrie chimique.
Cette nouvelle découverte découle des recherches de M. Strano sur les nanotubes de carbone, des tubes creux constitués d’un réseau d’atomes de carbone, qui présentent des propriétés électriques uniques. En 2010, Strano a démontré, pour la première fois, que les nanotubes de carbone peuvent générer des « ondes thermoélectriques ». Lorsqu’un nanotube de carbone est recouvert d’une couche de combustible, des impulsions de chaleur mobiles, ou ondes thermoélectriques, se déplacent le long du tube, créant un courant électrique.
Ces travaux ont conduit M. Strano et ses étudiants à découvrir une autre caractéristique des nanotubes de carbone. Ils ont découvert que lorsqu’une partie d’un nanotube est recouverte d’un polymère de type téflon, cela crée une asymétrie qui permet aux électrons de passer de la partie recouverte à la partie non recouverte du tube, générant ainsi un courant électrique. Ces électrons peuvent être retirés en immergeant les particules dans un solvant avide d’électrons.
Broyer des nanotubes de carbone
Pour exploiter cette capacité particulière, les chercheurs ont créé des particules génératrices d’électricité en broyant des nanotubes de carbone et en les transformant en une feuille de matériau semblable à du papier. Une face de chaque feuille a été recouverte d’un polymère de type Téflon, et les chercheurs ont ensuite découpé de petites particules, qui peuvent avoir n’importe quelle forme ou taille. Pour cette étude, ils ont fabriqué des particules de 250 microns sur 250 microns.
Lorsque ces particules sont immergées dans un solvant organique tel que l’acétonitrile, le solvant adhère à la surface non recouverte de ces particules et commence à en arracher les électrons. « Le solvant enlève des électrons, et le système cherche à s’équilibrer en déplaçant des électrons », explique Strano. « Il n’y a pas de chimie de batterie sophistiquée à l’intérieur. C’est juste une particule que vous mettez dans un solvant et qui commence à générer un champ électrique. »
« Cette étude montre intelligemment comment extraire l’énergie électrique omniprésente (et souvent inaperçue) stockée dans un matériau électronique pour une synthèse électrochimique sur site », explique Jun Yao, un professeur adjoint qui n’a pas participé à cette étude. « La beauté de la chose est qu’elle met en évidence une méthodologie générique qui peut être facilement étendue à l’utilisation de différents matériaux et applications dans différents systèmes de synthèse. »
La puissance de ces particules
La version actuelle des particules peut générer environ 0,7 volt d’électricité par particule. Dans cette étude, les chercheurs ont également montré qu’ils pouvaient former des réseaux de centaines de particules dans un petit tube à essai. Ce réacteur à « lit tassé » génère suffisamment d’énergie pour alimenter une réaction chimique appelée oxydation de l’alcool, dans laquelle un alcool est converti en aldéhyde ou en cétone. Habituellement, cette réaction n’est pas réalisée par électrochimie car elle nécessiterait un courant externe trop important.
« Comme le réacteur à lit tassé est compact, il offre plus de flexibilité en matière d’applications qu’un grand réacteur électrochimique », explique Zhang. « Les particules peuvent être rendues très petites, et elles ne nécessitent pas de fils externes afin d’entraîner la réaction électrochimique. »
Dans ses futurs travaux, M. Strano espère utiliser ce type de production d’énergie pour fabriquer des polymères en utilisant uniquement le dioxyde de carbone comme matière première. Dans un projet connexe, il a déjà créé des polymères qui peuvent se régénérer en utilisant le dioxyde de carbone comme matériau de base, dans un processus alimenté par l’énergie solaire.
Ce travail s’inspire de la fixation du carbone, l’ensemble des réactions chimiques que les plantes utilisent pour fabriquer des sucres à partir du dioxyde de carbone, en utilisant l’énergie du Soleil.
Pour alimenter des robots
À plus long terme, cette approche pourrait également être utilisée pour alimenter des robots à l’échelle micro ou nanométrique. Le laboratoire de Strano a déjà commencé à construire des robots à cette échelle, qui pourraient un jour être utilisés comme capteurs de diagnostic ou environnementaux. L’idée de pouvoir récupérer l’énergie de l’environnement pour alimenter ces types de robots est séduisante, dit-il.
« Cela signifie qu’il n’est pas nécessaire d’embarquer le stockage de l’énergie », explique-t-il. « Ce qui nous plaît dans ce mécanisme, c’est que vous pouvez prendre l’énergie, du moins en partie, dans l’environnement. »
Cette recherche a été publiée dans Nature Communications.
Source : MIT
Crédit photo : iStock