Jeudi 23 octobre 2014

Nanosciences dans les cleantech : des applications prometteuses

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par Thomas Deschamps | 25.01.12

Fin mars, la Mission pour la Science et la Technologie de l’Ambassade de France aux Etats-Unis organisera - en partenariat avec l’université de Berkeley et le Lawrence Berkeley National Lab - un symposium sur les nanosciences et les technologies propres. En préambule à cet évènement, Thomas Deschamps - Attaché Scientifique du Consulat Général de France à San Francisco - revient sur quatre applications majeures des nanosciences dans le domaine des technologies vertes : les bioénergies, la thermoélectricitél’efficacité énergétique dans l’électronique, la séquestration géologique du carbone.

Les bioénergies

Le sujet des bioénergies est prédominant sur le campus de Berkeley avec la présence de deux centres de recherche très importants: l’Energy Biosciences Institute, et le Joint Bioenergy Institute. Certains outils en biologie synthétique peuvent bénéficier des nanotechnologies, lorsqu’on traite des capteurs biologiques pour réguler des voies métaboliques dans les plantes par exemple.

Ainsi, même si le sujet des bioénergies semble un peu éloigné du champ d’application des nanotechnologies, des progrès récents se sont révélés cruciaux pour la synthèse bioénergétique microbienne et les nanotechnologies sont perçues comme une des clefs des agrocarburants de prochaine génération. En effet les nanoparticules, les nanotubes, les nanofibres et les matériaux nanoporeux servent efficacement d’outils pour le traitement des matières premières, le génie génétique, les biocarburants ainsi que pour les systèmes bioélectrochimiques.

Ainsi, avec le développement des matériaux et des techniques, les nanomatériaux sont voués à faire partie intégrante du secteur des bioénergies. Par exemple, la nature versatile des nanomatériaux a permis d’imaginer le développement de nouveaux matériaux absorbants et de membranes qui rendent la récolte des biocarburants plus facile et moins coûteuse. Plus récemment ont été développées dans un laboratoire du DoE des nanoparticules capables de récupérer les huiles produites par des algues sans les détruire ni même les dénaturer. Ainsi ces particules réussissent à se glisser entre la membrane et la paroi des cellules et à récupérer l’huile dans leurs nanopores sans provoquer la mort cellulaire, ce qui peut avoir un impact important sur le développement durable de l’industrie des biofuels à base d’algues.

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La thermoélectricité

Une grande partie de l’électricité dans le monde est produite par des cycles thermodynamiques qui convertissent la chaleur en énergie mécanique, puis en électricité. La plupart de cette chaleur n’est cependant pas convertie, mais perdue et dissipée dans l’environnement. Si une petite partie de cette chaleur perdue pouvait être convertie en électricité, l’impact sur la consommation énergétique mondiale serait énorme. Un grand nombre de procédés industriels sont par ailleurs générateurs de grandes pertes de chaleur, tout comme les moteurs thermiques de nos voitures.

Les matériaux thermoélectriques, qui ont la particularité de convertir la chaleur en électricité, pourraient être utilisés pour capturer cette chaleur perdue. D’après le site des Techniques de l’Ingénieur, un bon matériau thermoélectrique sera composé d’éléments chimiques à masse élevée, aura une mobilité forte des porteurs (éléments à fortes permittivités relatives: Sélénium, Tellure, Antimoine, semi-conducteur à gap indirect), et une conductivité thermique faible. Ainsi, un onduleur ou un système de refroidissement pourraient utiliser des matériaux thermoélectriques pour améliorer leur efficacité. Cela pourrait également s’appliquer aux convertisseurs de courant, aux cellules solaires, etc… Néanmoins le principal problème de ces composants thermoélectriques est qu’ils sont généralement faits de matériaux rares et coûteux, ce qui rend l’offre commerciale peu attractive pour le moment.

Or une équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory, sous la houlette du Pr Peidong Yang, a récemment découvert que des nanofils de silicium rugueux pouvaient permettre de créer un matériau thermo-electrique avec de bonnes performances. Puisque pour le silicium une infrastructure de production a bas coût existe déjà, ce matériau pourrait être disponible à un prix relativement abordable. Le silicium est un matériau peu thermoélectrique à température ambiante, mais dans le cas de ces nanofils de silicium, le diamètre nanométrique et la rugosité de la surface permettent de réduire la conductivité thermique sans réduire la conductivité électrique, même si le mécanisme n’est pas encore compris. De plus, le procédé de fabrication de ces nanofils d’une taille bien spécifique ouvre la voie à des applications dans les moteurs de voiture, où l’électricité produite pourrait servir à alimenter le système électrique du véhicule lui-même. Cette technologie est la source des développements de la startup Alphabet Energy, primée lors de l’édition 2009 de la compétition de startups Cleantech Open.

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L’efficacité énergétique dans l’électronique

Constatant la croissance rapide de la part de l’électricité utilisée pour les usages des technologies de l’information (centres de données), et le fait que les performances des circuits intégrés actuels connaissent de fortes limitations, la National Science Foundation (NSF) a décidé d’ouvrir un centre de recherche dédié à l’efficacité énergétique dans l’électronique.

Dirigé depuis l’université de Berkeley par l’emblématique Pr Eli Yablonovitch, ce centre a pour but de réduire l’énergie consommée par les transistors en s’approchant le plus possible des limites théoriques (limite de Landauer).

Les recherches se déclinent en 4 thèmes:

  • Nanoélectronique: les transistors conventionnels nécessitent une tension de pilotage de l’ordre du volt, alors que les tensions gérées ne sont que de quelques millivolts. Réduire la tension de fonctionnement d’un transistor à quelques millivolts donnerait lieu à un gain de réduction de puissance d’un million.
  • Nanophotonique: utiliser la lumière plutôt que les électrons pour la communication nécessite moins d’énergie pour des longues connections. L’objectif est de réduire encore la consommation par fibre optique, qui est encore bien loin des limites théoriques. Il faut ainsi repenser les transmetteurs et les détecteurs.
  • Nanomécanique: il s’agit de développer des interrupteurs nanomécaniques avec de très faibles voltages, un des principaux défis étant la précision de la fabrication de ces mécanismes.
  • Nanomagnétisme: les nano-aimants devraient permettre de créer des interrupteurs logiques très peu gourmands en énergie.

Le centre s’efforcera de fournir aux différentes équipes des moyens de travailler de manière collaborative, grâce notamment à un effort de standardisation et d’intégration des circuits et nouveaux composants.

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La séquestration géologique du carbone

Sur un tout autre sujet, les nanotechnologies pourraient être l’une des rares techniques permettant de vérifier si la séquestration géologique du carbone fonctionne. En effet, la meilleure façon de fixer et de sécuriser le CO2 est de l’attacher à un solide pour former un carbonate. Ce procédé thermodynamiquement stable est une solution long terme pour piéger le CO2, mais prend beaucoup de temps avec les méthodes classiques. Or, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory ont réussi à produire des nanocristaux d’oxydes de magnésium qui permettraient d’accélérer cette fixation du CO2. Les cristaux influencent la vitesse de réaction, et le contrôle de leur taille et de leur surface de réaction permettrait d’accroître le taux de CO2 qui s’y fixe. Plutôt que d’attendre des milliers d’années pour évaluer le procédé de séquestration tel qu’il est fait aux USA et en Europe, cette découverte permet de vérifier immédiatement s’il y a formation de carbonates et donc séquestration, ce qui permet d’évaluer d’une part l’espace de stockage nécessaire, et d’autre part le temps nécessaire à le faire.

La principale limitation de cette nouvelle technologie est qu’elle concentre à la fois les peurs associées à la séquestration du carbone à celles liées à l’utilisation de nanostructures dans l’environnement. Les agences de régulations telles que l’Environmental Protection Agency (EPA) devront donc fixer des réglementations dans les années à venir. Par ailleurs d’autres équipes à Berkeley étudient de près la séquestration du CO2 à long terme.  D’abord au sein du Center for Nanoscale Control of Geologic CO2, un centre labélisé Energy Frontier Research Center par le Department of Energy. L’objectif est de combiner expérimentation et simulation pour comprendre et contrôler les aspects critiques de la séquestration géologique du CO2.

Mais aussi au sein de la Molecular Foundry dans le cadre d’un programme financé par le DoE pour fournir du support aux chercheurs du monde entier dont les travaux peuvent contribuer à l’étude et au développement des nanosciences. Des recherches sont ainsi menées sur des méthodes innovantes pour fixer le CO2. Par exemple, une nouvelle classe de polymères imitant les fonctionnalités de peptides et de protéines sont développés comme catalyseurs pour la minéralisation du CO2.

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Un symposium Franco-Américain sur les nanosciences et les technologies propres

yes120125La Mission pour la Science et la Technologie de l’Ambassade de France aux Etats-Unis a décidé d’organiser les 20, 21 et 22 mars prochains, en partenariat avec l’université de Berkeley et le Lawrence Berkeley National Lab, un symposium sur les nanosciences et les technologies propres. Avec le support de la cellule nanosciences du CNRS, du Grenoble Innovation for Advanced New Technologies (GIANT) et du réseau PRIME, le Young Engineers and Scientists Symposium (YESS) vous propose de venir participer à des sessions sur les différentes thématiques identifiées plus haut.

Le but du symposium est de favoriser la rencontre des ingénieurs et chercheurs français et américains, juniors et seniors, à la croisée de ces différents sujets. C’est aussi l’occasion pour des startups de présenter leurs technologies, dans une session technique ou bien dans le cadre d’un technology showcase.

Thomas DeschampsBio express de l’auteur

Thomas Deschamps, Attaché Scientifique du Consulat Général de France à San Francisco. Il contribue au blog FrenchScienceSF.

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