Les coquilles de diatomées ressemblant à du verre aident à transformer la lumière en énergie dans des conditions sombres

“Le modèle informatique et la boîte à outils que nous avons développés pourraient ouvrir la voie à des dispositifs optiques durables et manufacturables en masse et à des outils de collecte de lumière plus efficaces basés sur des coquilles de diatomées”, a déclaré Santiago Bernal, membre de l’équipe de recherche de l’Université McGill au Canada. “Cela pourrait être utilisé pour des dispositifs biomimétiques de détection, de nouvelles technologies de télécommunications ou des moyens abordables de produire de l’énergie propre.”

Les diatomées sont des organismes unicellulaires présents dans la plupart des plans d’eau. Leurs coquilles sont couvertes de trous qui réagissent différemment à la lumière selon leur taille, leur espacement et leur configuration. Dans la revue Matériaux optiques Express, les chercheurs, dirigés par David V. Plant et Mark Andrews de l’Université McGill, rapportent la première étude optique d’une coquille entière de diatomée. Ils ont analysé comment différentes sections de la coquille, ou frustule, réagissent à la lumière du soleil et comment cette réponse est liée à la photosynthèse.

“Sur la base de nos découvertes, nous estimons que le frustule peut contribuer à une augmentation de 9,83 % de la photosynthèse, en particulier lors des transitions d’un ensoleillement élevé à faible”, a déclaré Yannick D’Mello, premier auteur de l’article. “Notre modèle est le premier à expliquer le comportement optique de l’ensemble du frustule. Ainsi, il contribue à l’hypothèse selon laquelle le frustule améliore la photosynthèse chez les diatomées.”

Combiner microscopie et simulation

Les diatomées ont évolué pendant des millions d’années pour survivre dans n’importe quel environnement aquatique. Cela inclut leur coquille, qui est composée de nombreuses régions qui travaillent ensemble pour récolter la lumière du soleil. Pour étudier la réponse optique des frustules de diatomées, les chercheurs ont combiné des simulations optiques informatiques avec plusieurs techniques de microscopie.

Les chercheurs ont commencé par imager l’architecture du frustule à l’aide de quatre techniques de microscopie à haute résolution : la microscopie optique à champ proche, la microscopie à force atomique, la microscopie électronique à balayage et la microscopie à fond noir. Ils ont ensuite utilisé ces images pour informer une série de modèles que les chercheurs ont construits pour analyser chaque partie du frustule via des simulations 3D.

À l’aide de ces simulations, les chercheurs ont examiné comment les différentes couleurs de la lumière du soleil interagissaient avec les structures et ont identifié trois principaux mécanismes de collecte solaire : la capture, la redistribution et la rétention. Cette approche leur a permis de combiner les différents aspects optiques du frustule et de montrer comment ils fonctionnent ensemble pour faciliter la photosynthèse.

“Nous avons utilisé différentes simulations et techniques de microscopie pour examiner chaque composant séparément”, a déclaré D’Mello. “Nous avons ensuite utilisé ces données pour construire une étude sur la façon dont la lumière interagit avec la structure, à partir du moment où elle est capturée, jusqu’à l’endroit où elle est distribuée après cela, combien de temps elle est conservée et jusqu’au moment où elle est probablement absorbée par la cellule. .”

Booster la photosynthèse

L’étude a révélé que les longueurs d’onde avec lesquelles la coquille interagissait coïncidaient avec celles absorbées lors de la photosynthèse, suggérant qu’elle aurait pu évoluer pour aider à capter la lumière du soleil. Les chercheurs ont également découvert que différentes régions du frustule pouvaient redistribuer la lumière à absorber à travers la cellule. Cela suggère que la coque a évolué pour maximiser l’exposition de la cellule à la lumière ambiante. Leurs découvertes ont également indiqué que la lumière circule à l’intérieur du frustule suffisamment longtemps pour faciliter la photosynthèse pendant les périodes de transition d’un éclairage élevé à faible.

Le nouveau modèle de frustule pourrait permettre de cultiver des espèces de diatomées qui récoltent la lumière à différentes longueurs d’onde, leur permettant d’être personnalisées pour des applications spécifiques. “Ces mécanismes de collecte de lumière des diatomées pourraient être utilisés pour améliorer l’absorption des panneaux solaires en permettant à la lumière du soleil d’être collectée à plus d’angles, supprimant ainsi partiellement la dépendance du panneau à faire directement face au soleil”, a déclaré Bernal.

Les chercheurs travaillent maintenant à affiner leur modèle et prévoient d’appliquer leur nouvelle boîte à outils pour étudier d’autres espèces de diatomées. Après cela, ils prévoient d’étendre le modèle au-delà des interactions lumineuses au sein d’un seul frustule pour examiner les comportements entre plusieurs frustules.

Cette œuvre commémore Dan Petrescu, décédé l’année dernière. La recherche n’aurait pas été possible sans sa perspicacité, son aide et son dévouement.

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Optique. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.