Une plante pourrait-elle guider la conception des panneaux solaires de nouvelle génération ?

Les panneaux solaires fonctionnent très bien en plein soleil, mais dans de nombreuses régions, le soleil est faible, ce qui signifie que l’énergie produite est inférieure aux besoins. Des chercheurs de Tufts ont découvert qu’un type particulier d’orchidée bijou, qui prospère dans des conditions de faible luminosité, pourrait offrir une solution à ce problème.

Giulia Guidetti et Fiorenzo Omenetto, membres du corps professoral de l’École d’ingénierie, rapportent, dans un article paru dans Matériaux optiques avancésque les feuilles de l’orchidée bijou Macodes petola sont constituées de cellules en forme de dôme qui leur permettent de capter plus de trois fois plus de lumière que les cellules de la « peau » végétale ordinaire et de partager cette lumière avec les cellules voisines, agissant essentiellement comme un réseau optique.

Ce processus de mise en réseau maximise la lumière que la plante peut utiliser pour convertir la lumière du soleil en énergie chimique, essentielle à son fonctionnement.

Les chercheurs ont copié ces modèles cellulaires en utilisant un biomatériau à base de protéines de soie, imitant les capacités de collecte de lumière et de réseautage optique de l’orchidée, et suggèrent que les panneaux solaires fabriqués à partir d’un tel matériau « iraient au-delà des cellules solaires flexibles qui existent aujourd’hui », explique Omenetto, professeur d’ingénierie Frank C. Doble et directeur de Silklab à Tufts.

Guidetti, professeur adjoint de recherche au Département de génie biomédical, et Omenetto ont maintenant reçu une subvention pour étudier plus en détail les systèmes de collecte de lumière des plantes et la possibilité d’appliquer les réseaux optiques de ces systèmes pour améliorer l’efficacité de l’énergie solaire.

Un motif intrigant

Guidetti a découvert les propriétés particulières de la plante. Pendant la pandémie, dit-elle, elle a acheté de nombreuses plantes d’intérieur, attirée en particulier par celles aux feuilles brillantes et métalliques, et s’est intéressée à ce qui les rendait ainsi.

« Je les ai placées sous le microscope et j’ai constaté que la surface de leurs feuilles n’était pas plate, comme les feuilles ordinaires, et qu’elles présentaient un micro-motif », explique-t-elle. « Tout cela était motivé par la curiosité. »

Les plantes captent la lumière du soleil et la convertissent en glucose, une forme d’énergie qui soutient toute vie sur Terre. Les cellules épidermiques (ou de la peau) des plantes sont responsables de l’absorption de la lumière du soleil.

Les rapports de botanique avaient déjà noté la forme conique de ces cellules chez certaines orchidées joyaux, suggérant qu’elles pourraient améliorer l’efficacité de la concentration de la lumière pour maximiser la conversion en énergie, nécessaire pour une plante qui existe dans la nature dans des conditions de faible luminosité.

Mais d’autres chercheurs n’avaient pas étudié comment la forme et la disposition des cellules pouvaient affecter leur capacité à photosynthétiser l’énergie lumineuse, expliquent Guidetti et Omenetto dans leur article.

En observant de très près les orchidées Macodes petola jewel, ils ont découvert que les cellules de surface n’étaient pas plates ou en forme de cône, comme le sont de nombreuses plantes, mais plutôt comme des dômes, explique Guidetti, directeur adjoint du Silklab.

« Nous pensons que cela fonctionne de la manière suivante : la lumière vient du haut et, au lieu d’être concentrée uniquement à l’intérieur de la feuille où se trouvent les chloroplastes, la présence des dômes permet essentiellement à la lumière de se répandre sur la surface de la feuille, permettant également aux cellules non directement éclairées d’effectuer la photosynthèse, ce qui se traduit par une efficacité globale de photoconversion plus élevée », explique-t-elle.

Copier les modèles de la nature

Après avoir cartographié les types de cellules de surface, leurs connexions et leur variabilité, les chercheurs ont décidé de copier le résultat. Ils ont appliqué une fine couche de polymère de silicium sur la surface des feuilles, formant une réplique négative de la surface des feuilles. Ils ont ensuite versé un mélange transparent de protéines de soie sur cette couche, créant une copie exacte de la forme microscopique des motifs cellulaires sur les feuilles.

La soie, produite par les vers à soie puis transformée en solution aqueuse, a été utilisée par Omenetto et d’autres chercheurs de Silklab pour fabriquer une très large gamme de produits, allant de l’électronique résorbable aux capteurs biocompatibles. La soie est également disponible à grande échelle dans le commerce, avec environ un demi-million de tonnes produites par an dans les fermes de vers à soie, explique Omenetto.

La version à base de soie de la feuille « reproduit fidèlement » la forme ronde des cellules végétales ainsi que leur disposition hexagonale et la « communication croisée observée entre les cellules voisines lorsqu’elles sont éclairées par la lumière visible, de manière similaire à celle observée dans les feuilles des plantes », écrivent les chercheurs.

Guidetti et Omenetto ont ajouté un colorant au matériau en soie utilisé dans les feuilles de la plante répliquée, leur permettant de suivre la lumière lorsqu’elle se déplace d’une cellule à l’autre. Le biomatériau imite également les courbes et la souplesse des feuilles, ce qui permet un meilleur accès à la lumière et une meilleure capacité à la distribuer sur toute la feuille.

« De tels réseaux optiques vivants à base de plantes pourraient servir de source d’inspiration pour la conception de matériaux fonctionnels qui récoltent, manipulent et traitent efficacement la lumière avec des formats de matériaux doux, conformes et durables, comme l’ont démontré de manière préliminaire la réplication de la structure vivante de la feuille », écrivent Guidetti et Omenetto.

« C’est la première démonstration de réseaux optiques dans un système vivant, car quelque chose de tel n’a jamais été rapporté auparavant dans aucune plante, à notre connaissance – un système qui peut gérer la lumière grâce à un assemblage ordonné de lentilles de cellules », ajoute Omenetto.

Les chercheurs examinent actuellement d’autres plantes de la famille des orchidées joyaux, en comparant les formes des cellules végétales à celles qui existent dans des conditions de lumière moyenne et élevée, et en fabriquant des répliques de la structure des feuilles, à la recherche de plantes qui pourraient être capables de capter la lumière encore plus efficacement.

Ils prévoient également de réaliser des expériences pour voir si le fait de modifier les conditions d’éclairage rencontrées par les orchidées joyaux pourrait modifier le fonctionnement du réseau de partage de la lumière.