« Le Verre, matériau d'exception »

Les diatomées, ces algues qui fabriquèrent du verre bien avant les humains

Biomimétisme et matériaux

Cette étonnante architecture est le bord brisé d’une diatomée, une microalgue photosynthétique apparue sur terre – ou plutôt dans la mer – il y 200 millions d’années environ. Les diatomées, de leur nom scientifique « Bacillariophycées », sont répandues dans toutes les eaux du monde, douces, salées ou saumâtres et plus abondamment dans les eaux froides. On en connaît plus de 100 000 espèces. Elles constituent un des plus importants puits de carbone sur terre (le phytoplancton absorbe 40 % du CO₂ sur terre et émet 60 % du dioxygène), loin devant les forêts, et participent ainsi à la lutte contre le réchauffement climatique.

Mais elles ont bien d’autres choses à nous apporter. En effet, ce sont, avec certaines éponges, les premiers « verriers » sur Terre, car leur « carapace », ou frustule, est en fait une cage de verre. Chez les humains, nous attribuons la découverte du verre translucide aux Mésopotamiens, vers 4 500 ans av. J.-C. : en portant du sable et de la soude à plus de 1000 degrés, ils parvinrent à les faire fondre pour obtenir une pâte visqueuse et transparente. Les techniques ont beaucoup évolué depuis, mais une chose n’a pas changé : il faut chauffer à très haute température.

Les diatomées (et les éponges) montrent qu’il est possible de faire du verre à température ambiante, ouvrant ainsi la voie à ce que l’on appelle aujourd’hui la chimie douce. Le procédé « sol-gel » est maintenant bien compris et maîtrisé : une molécule d’acide silicique Si(OH)₄ présente naturellement dans l’eau est décomposée en dioxyde de silicium (le verre ou silice) et deux molécules d’eau. La silice ainsi obtenue est utilisée par la diatomée sous forme de nanobilles pour fabriquer son frustule, cage de verre transparente, laissant passer la lumière pour permettre la photosynthèse, et percée de trous pour les échanges de nutriments avec l’extérieur.

Les verres que nous fabriquons industriellement en imitant les diatomées ne sont plus uniquement à base de silicium. On fabrique ainsi du dioxyde de titane (TiO₂) et de zircone (ZrO₂) pour l’optique, des oxydes d’aluminium (Al₂O₃) de tungsten (WO₃) pour de diverses applications industrielles (électrochrome, matériaux réfractaires…). Ces verres trouvent de nombreuses applications par exemple des nanocapsules pour le transport de médicaments dans le corps ou des films anti-rayures pour les optiques.

Mais ces petites algues ont bien d’autres choses à nous apprendre. Elles maîtrisent la lumière comme personne et pratiquent, depuis la nuit des temps, la photonique, cette nouvelle science que nous ne développons que depuis quelques décennies. Faire de la photonique, c’est jouer avec la lumière, la manipuler, la freiner, la confiner… Pour cela, il faut construire des objets bien particuliers, de structure périodique. La période de la structure photonique doit être du même ordre de grandeur que celle de la lumière (la lumière est une onde, donc périodique), voire plus petite, c’est-à-dire d’une centaine de nanomètres. Pas facile. Mais c’est pourtant ce que réalise cette petite algue, comme on peut le voir sur la photo suivante.

Cela confère aux frustules des diatomées de nombreuses propriétés optiques. Elles peuvent par exemple filtrer les ultraviolets nocifs pour la plante, mais également concentrer la lumière sur l’axe de la diatomée, favorisant ainsi la photosynthèse. Les diatomées ont ainsi inventé les lunettes diffractives.

Notre groupe de recherche imagine maintenant qu’il serait peut-être possible d’utiliser cette propriété pour concentrer la lumière sur la zone sensible des panneaux solaires photovoltaïques pour en augmenter le rendement, en déposant à la surface une monocouche de diatomées sphériques.

The Conversation (France)

L’auteur

Serge Berthier, Professeur en physique, Sorbonne Université.