Clefs n°61 Printemps 2013
Clefs n°61 Printemps 2013
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de Printemps 2013

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 108

  • Taille du fichier PDF : 5,8 Mo

  • Dans ce numéro : les énergies bas carbone.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 82 - 83  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
82 83
80 R Pour une meilleure utilisation de l’énergie S O H N [O] Figure 3. L’introduction d’un complexe de fer au sein de la poche hydrophobe de NikA, une protéine de transport de nickel, permet son activation pour la catalyse de transfert d’un atome d’oxygène, pour former un sulfoxyde. Le produit de la catalyse est un analogue potentiel de l’oméprazole, inhibiteur de la pompe à protons dans les muqueuses de l’estomac chez l’homme. La position du catalyseur chimique est identifiée par cristallographie des protéines. R H N S O O sulfoxyde, produit de la catalyse CLEFS CEA - N°61 - PRINTEMPS 2013 protéine NikA complexe de fer évidence un chemin préférentiel au sein de la protéine pour le transfert des protons et pour la circulation des gaz. De fait, les hydrogénases sont de véritables petites usines à hydrogène dont la logistique est optimisée. La chimie bio-inspirée et les enzymes artificielles Les enzymes sont des biomolécules fragiles, qui le plus souvent ne développent leur activité que dans l’eau, dans des conditions assez restreintes de température, de pH ou de force ionique, et qui nécessitent des partenaires physiologiques. Une solution consiste à imiter le fonctionnement enzymatique pour élaborer des catalyseurs, dits bio-inspirés. Grâce à la connaissance, au niveau moléculaire, de la structure du site actif d’une enzyme, le chimiste peut, soit en faire une copie synthétique fidèle (modèle biomimétique), soit inventer de nouveaux catalyseurs s’inspirant de son mécanisme de fonctionnement ou de ses interactions avec ses partenaires biologiques (modèle bio-inspiré). Cette approche permet d’utiliser des éléments chimiques ou des combinaisons d’atomes que la Nature n’a ni explorées, pour des questions de biodisponibilité, ni sélectionnées, en raison par exemple de leur toxicité durant l’évolution. De tels catalyseurs présentent de multiples avantages. Faciles à synthétiser et peu coûteux à produire à grande échelle car ils ne renferment généralement pas de métaux nobles ou rares, ils peuvent, contrairement aux enzymes dont ils s’inspirent, être employés dans de nombreux solvants et dans une large gamme de température ou de pression. Ils sont également moins sensibles à l’oxydation par l’oxygène de l’air. La conception d’hydrogénases artificielles Les complexes bisdiphosphine de nickel sont un exemple de catalyseurs bio-inspirés de la structure du site actif des hydrogénases. Ils combinent des éléments structuraux pris aux sites actifs des deux types d’hydrogénases : l’ion nickel des hydrogénases NiFe et une fonction amine, incorporée cette fois dans un ligand diphosphine plutôt que dans le cofacteur dithiolate des hydrogénases FeFe. L’un de ces complexes a été choisi par une équipe du Laboratoire de chimie et biologie des métaux de l’Institut de recherches en technologies et sciences pour le vivant (iRTSV) pour développer, en collaboration avec une équipe de l’Iramis (Institut rayonnement matière de Saclay/Direction des sciences de la matière), le premier matériau sans métal noble capable de catalyser, comme le fait le platine, aussi bien (6) Nafion : polymère fluoré échangeur de protons H +. (7) Hydroxylation aromatique : ajout d’un groupement hydroxyle (OH) au cycle d’une molécule. la production d’hydrogène à partir de l’eau (pour une utilisation dans les électrolyseurs) que son oxydation (pour un emploi dans les piles à combustible). En greffant le catalyseur bio-inspiré sur des nanotubes de carbone et en incorporant cet assemblage au sein d’une matrice de Nafion (6), il a été possible d’optimiser la logistique d’approvisionnement du site catalytique en protons et électrons, exactement comme cela est organisé au sein des hydrogénases (figure 2). Les métallo-enzymes artificielles Le contrôle de l’environnement proche du site où se déroule la catalyse est crucial pour l’optimisation de son activité. Ceci peut être obtenu via une approche originale consistant à créer des objets hybrides basés sur l’insertion d’un catalyseur inorganique au sein d’une protéine. On parle alors de métallo-enzymes artificielles. L’activité de l’enzyme artificielle est contrôlée par la nature du composant synthétique tandis que sa sélectivité dépend de la charpente protéique, ce qui permet à la fois d’obtenir des catalyses originales (des réactions non répertoriées par la biocatalyse) dans des conditions douces et de favoriser la sélectivité de la réaction visée. Il est ainsi possible de contrôler la stabilité de la protéine formée et de maîtriser les coûts de production. De récents résultats acquis au Laboratoire de chimie et biologie des métaux de l’iRTSV démontrent le potentiel des métallo-enzymes artificielles dans le cadre de réactions d’hydroxylations aromatiques (7) ou d’oxydations de sulfures. En collaboration avec le groupe Métalloprotéine de l’IBS, un nouveau type d’oxydases (5) efficaces de thioéthers (R S R’) a été élaboré en fixant, par des liaisons supramoléculaires, un catalyseur bioinspiré à base de fer au sein d’une protéine de transport de nickel, NikA (figure 3). Le complexe de fer n’est actif que s’il est inséré dans la protéine, démontrant ainsi la synergie des deux partenaires formant l’hybride. Un autre volet, plus fondamental, a permis de développer une nouvelle technique pour disséquer un mécanisme catalytique d’hydroxylation aromatique en alliant cristallographie des protéines et catalyse bio-inspirée. Les procédés biologiques, alternative aux procédés industriels Du fait de la crise énergétique et des contraintes environnementales, notre société va devoir proposer des alternatives à un grand nombre de pratiques industrielles existantes. Beaucoup de ces alternatives vont reposer sur la mise au point de procédés totalement ou partiellement biologiques ou s'inspirant directement des solutions mises en œuvre par la Nature. Plusieurs laboratoires de la Direction des sciences du vivant se sont déjà engagés activement et avec succès dans l’explo ration de ces différentes voies. Le CEA contribue ainsi au développement d'alternatives énergétiques et de procédés biotechnologiques durables. > Vincent Artero 1, Véronique de Berardinis 2, Stéphane Ménage 1 et Jean Weissenbach 2 1 Institut de recherches en technologies et sciences pour le vivant (iRTSV) Direction des sciences du vivant CEA Centre de Grenoble 2 Institut de génomique (IG)/Genoscope Direction des sciences du vivant Évry
Les nanosciences et les nanotechnologies pour l’énergie Nanosciences et nanotechnologies sont des sources majeures d’innovation pour l’ensemble des enjeux associés à l’énergie : la production et le stockage de l’énergie, la conversion et les économies d’énergie. En outre, elles dégagent des voies de progrès en ce qui concerne l’économie de la matière première, en particulier pour le remplacement ou la moindre utilisation des matériaux rares. Le CEA dispose d’une large base de compétences dans ce domaine. Il la mobilise sur l’ensemble de ces enjeux, avec l’ambition de contribuer aux ruptures scientifiques requises face aux défis de la production d’énergies renouvelables et des économies d’énergie. L es compétences en nanosciences et nanotechnologies du CEA reposent sur des techniques avancées de nanofabrication, d’auto-organisation de la matière, de caractérisation et de simulation numérique. Souvent, afin d’accélérer le parcours de l’innovation dans un contexte de vive concurrence internationale, les travaux effectués associent intimement, dès le départ, équipes de recherche amont et équipes de recherche technologique. Produire de l’énergie électrique L’énergie solaire photovoltaïque est certainement l’un des domaines où les bénéfices d’un contrôle de la matière à l’échelle nanométrique sont les plus évidents. La description des processus mis en jeu permet de le comprendre. Après la création de l’exciton (paire électron-trou) lors de l’absorption d’un photon incident au sein d’un matériau semi-conducteur, la génération du courant électrique repose sur la séparation des charges sous l’influence du champ électrique d’une jonction p-n : l’électron part vers un semi-conducteur dopé n et le trou vers un semi-conducteur dopé p.Dans une large mesure, le rendement de la cellule photovoltaïque dépend de l’efficacité de cette séparation. Les défauts des matériaux étant autant d’opportunités de recombinaison des charges produites, il est important de minimiser les distances de transport des électrons et des trous. Dans le cas du solaire à base de semi-conducteurs, cette recherche conduit à explorer, au-delà de la classique structure en couches minces, des voies très innovantes comme les structures à base de nanofils semi-conducteurs, qui offrent la perspective de rendements comparables, avec une importante économie de matière. Ces solutions s’appuient sur une maîtrise avancée des procédés de nanofabrication pour réaliser les hétérostructures désirées (figure 1). Dans le cas du photovoltaïque organique, les mêmes contraintes imposent le mélange intime de deux phases organiques semi-conductrices de types n et p et la réduction à quelques nanomètres des distances entre interfaces, afin d’optimiser la dissociation de l’exciton initial et le transport des charges photogénérées. Cet objectif mobilise les compétences des chimistes, tant CEA Catalyseur efficace d’une pile à combustible (PAC), le platine est un métal rare et coûteux qu’il convient d’économiser. Pour réduire sa quantité et optimiser le fonctionnement de la PAC, il est utilisé sous la forme de nanoparticules qui sont dispersées dans des matériaux supports poreux de taille nanométrique, souvent à base de carbone (noir de carbone). Les nanoparticules de platine réparties sur le noir de carbone, ici de la cathode, après 2 000 heures de fonctionnement de la PAC, apparaissent nettement sur cette image obtenue en microscopie électronique à transmission (en tomographie) sur la plateforme de nanocaractérisation (PFNC) de MINATEC. Il est possible de voir que les plus grosses (> 10 nm, artificiellement colorées en rouge) se situent à la surface du noir de carbone, tandis que les plus petites (< 3 nm, colorées en vert) se trouvent à l’intérieur. 2 μm 100 nm sur la synthèse de matériaux organiques n ou p plus performants, que sur la nanostructuration du matériau lors du mélange des polymères (figure 2). Sur la base de tels systèmes organiques, les meilleurs rendements obtenus aujourd’hui au CEA approchent les 7%. Figure 1. Nanofils de silicium élaborés par croissance CVD (Chemical Vapor Deposition) à l’Inac (CEA Grenoble). L’insert montre une hétérojonction radiale SiGe-Si (silicium germanium-silicium) dans un autre nanofil. Les deux images ont été obtenues en microscopie électronique. De telles géométries constituent un des axes de recherche pour de futures générations de cellules photovoltaïques, dans lesquelles le matériau actif est finement nanostructuré afin de combiner performances et économie de matière. CLEFS CEA - N°61 - PRINTEMPS 2013 CEA 81



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :


Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 1Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 2-3Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 4-5Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 6-7Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 8-9Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 10-11Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 12-13Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 14-15Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 16-17Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 18-19Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 20-21Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 22-23Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 24-25Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 26-27Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 28-29Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 30-31Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 32-33Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 34-35Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 36-37Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 38-39Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 40-41Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 42-43Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 44-45Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 46-47Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 48-49Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 50-51Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 52-53Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 54-55Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 56-57Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 58-59Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 60-61Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 62-63Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 64-65Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 66-67Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 68-69Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 70-71Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 72-73Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 74-75Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 76-77Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 78-79Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 80-81Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 82-83Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 84-85Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 86-87Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 88-89Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 90-91Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 92-93Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 94-95Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 96-97Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 98-99Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 100-101Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 102-103Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 104-105Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 106-107Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 108