Depuis quelques jours, on peut lire des articles parlant des recherches sur la photosynthèse menées par l'équipe de Gregory Engel à Berkeley. La photosynthèse y est généreusement qualifiée de "réaction chimique la plus importante sur Terre", ce qui est certainement une phrase pour accrocher l'intérêt journalistique, mais j'avoue ne pas avoir trouvé de contre-exemples. Il s'agit tout de même de la première étape du plus important des écosystèmes de la planète, celui basé sur l'énergie du soleil !L'équipe pense avoir expliqué comment, par un phénomène purement quantique, les chloroplastes présentes dans les plantes et les algues concentrent l'énergie des radiations lumineuses du soleil en énergie chimique.
Jusqu'à présent, on envisageait ce processus comme une "cascade" d'excitations électroniques, que l'on peut représenter comme un entonnoir. Il faut imaginer cet entonnoir comme étant l'énergie des molécules : plus elles sont basses en énergie, plus elles sont difficiles à exciter. Tout en haut de l'entonnoir, les molécules les plus nombreuses (les pigments, en particulier la chlorophylle) sont exposées au soleil, comme une antenne collectrice. Les rayons lumineux n'ont pas beaucoup d'énergie, et réussissent tout juste à exciter un de leurs électrons. Ces molécules déchargent ensuite leur énergie dans une molécule un peu plus bas dans l'entonnoir (c'est-à-dire initialement un peu plus basse en énergie) : cette dernière est alors excitée, avec une énergie plus grande que celle des radiations initiales. Et, ainsi de suite, jusqu'en bas de l'entonnoir, avec une énergie de plus en plus concentrée, jusqu'à atteindre un niveau suffisant pour briser la molécule de dioxyde de carbone, la brique des molécules carbonées indispensables à la vie.
Sans cette cascade d'étapes intermédiaires, l'utilisation d'une faible radiation pour franchir une large barrière d'énergie n'aurait qu'un très, très faible rendement. Cependant, ce mécanisme explicatif reste encore insatisfaisant, car les étapes où l'énergie se transmet sont aléatoires, avec uniquement un biais de probabilité vers les régions d'énergie plus basse. Le processus total devrait donc prendre plus de temps, dissiper plus de chaleur, et donc avoir un moins bon rendement, que ce qui se passe en réalité.
Engel propose donc un autre mécanisme, où les électrons seraient délocalisés sur l'ensemble de l'entonnoir, et choisiraient immédiatement le chemin le plus pentu, les conduisant au fond du puits d'énergie. Il pense avoir observé une vague électronique cohérente avec un laser femtoseconde : les électrons "s'étaleraient" dans toutes les directions et se "résoudraient" à l'endroit ou l'énergie est la plus basse. Pour le dire autrement, les électrons seraient capables de tester tous les chemins d'énergie et de choisir le plus favorable. Un tel mécanisme expliquerait la rapidité et l'efficacité de la photosynthèse.
Je ne sais pas si je suis convaincu par cette explication. Je suis particulièrement gêné par l'analogie un peu facile qui est tirée avec l'ordinateur quantique, qui est peut-être très forte d'un point de vue marketing, mais qui ne m'éclaire pas beaucoup. Je note aussi que les critiques pointent du doigt le fait que ces mesures ont été faite à 77 degrés Kelvin, et qu'à cette température très basse, les phénomènes cohérents de ce genre sont certainement favorisés face à l'agitation thermique, sans que cela se passe nécessairement de la même façon à température ambiante...
Finissons sur un point positif : les travaux sur la photosynthèse ont, en plus de leur intérêt scientifique, des perspectives importantes dans le domaine de l'énergie. Des chimistes ont par exemple essayé, sur ce modèle, d'associer des dendrimères (des polymères de formes semi-sphérique) et des pigments pour jouer le rôle de l'entonnoir. Le dendrimère formerait comme une antenne capable de collecter l'énergie du soleil, et de la concentrer et de la décharger dans un pigment, qui pourrait créer des charges ioniques et donc, de l'électricité. Les modèles expérimentaux fonctionnent avec un bon rendement, mais les défis pratiques restent nombreux avant de produire des panneaux solaires basés sur ce système.
Jusqu'à présent, on envisageait ce processus comme une "cascade" d'excitations électroniques, que l'on peut représenter comme un entonnoir. Il faut imaginer cet entonnoir comme étant l'énergie des molécules : plus elles sont basses en énergie, plus elles sont difficiles à exciter. Tout en haut de l'entonnoir, les molécules les plus nombreuses (les pigments, en particulier la chlorophylle) sont exposées au soleil, comme une antenne collectrice. Les rayons lumineux n'ont pas beaucoup d'énergie, et réussissent tout juste à exciter un de leurs électrons. Ces molécules déchargent ensuite leur énergie dans une molécule un peu plus bas dans l'entonnoir (c'est-à-dire initialement un peu plus basse en énergie) : cette dernière est alors excitée, avec une énergie plus grande que celle des radiations initiales. Et, ainsi de suite, jusqu'en bas de l'entonnoir, avec une énergie de plus en plus concentrée, jusqu'à atteindre un niveau suffisant pour briser la molécule de dioxyde de carbone, la brique des molécules carbonées indispensables à la vie.
Sans cette cascade d'étapes intermédiaires, l'utilisation d'une faible radiation pour franchir une large barrière d'énergie n'aurait qu'un très, très faible rendement. Cependant, ce mécanisme explicatif reste encore insatisfaisant, car les étapes où l'énergie se transmet sont aléatoires, avec uniquement un biais de probabilité vers les régions d'énergie plus basse. Le processus total devrait donc prendre plus de temps, dissiper plus de chaleur, et donc avoir un moins bon rendement, que ce qui se passe en réalité.
Engel propose donc un autre mécanisme, où les électrons seraient délocalisés sur l'ensemble de l'entonnoir, et choisiraient immédiatement le chemin le plus pentu, les conduisant au fond du puits d'énergie. Il pense avoir observé une vague électronique cohérente avec un laser femtoseconde : les électrons "s'étaleraient" dans toutes les directions et se "résoudraient" à l'endroit ou l'énergie est la plus basse. Pour le dire autrement, les électrons seraient capables de tester tous les chemins d'énergie et de choisir le plus favorable. Un tel mécanisme expliquerait la rapidité et l'efficacité de la photosynthèse.
Je ne sais pas si je suis convaincu par cette explication. Je suis particulièrement gêné par l'analogie un peu facile qui est tirée avec l'ordinateur quantique, qui est peut-être très forte d'un point de vue marketing, mais qui ne m'éclaire pas beaucoup. Je note aussi que les critiques pointent du doigt le fait que ces mesures ont été faite à 77 degrés Kelvin, et qu'à cette température très basse, les phénomènes cohérents de ce genre sont certainement favorisés face à l'agitation thermique, sans que cela se passe nécessairement de la même façon à température ambiante...
Finissons sur un point positif : les travaux sur la photosynthèse ont, en plus de leur intérêt scientifique, des perspectives importantes dans le domaine de l'énergie. Des chimistes ont par exemple essayé, sur ce modèle, d'associer des dendrimères (des polymères de formes semi-sphérique) et des pigments pour jouer le rôle de l'entonnoir. Le dendrimère formerait comme une antenne capable de collecter l'énergie du soleil, et de la concentrer et de la décharger dans un pigment, qui pourrait créer des charges ioniques et donc, de l'électricité. Les modèles expérimentaux fonctionnent avec un bon rendement, mais les défis pratiques restent nombreux avant de produire des panneaux solaires basés sur ce système.
2 commentaires:
Je viens de lire dans le n.3 d'Eos (nouveau magazine scientifique franco-belge) que des chercheurs néerlandais espéraient même être capables de créer des "feuilles artificielles", afin de contribuer à l'absorption du CO2 atmosphérique ...
Et rejeter du dioxygene ? Ca serait grandiose en milieu urbain... Mais en pratique, catalyser cette reaction doit etre encore plus difficile que produire de l'electricite.
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