La lumière tord le courant pour produire de l'oxygène express
L'eau dans un verre semble simple, mais pour la décomposer en oxygène et en hydrogène avec la lumière du soleil, il ne suffit pas de transférer des électrons : il faut aussi qu'ils « s'accordent » sur le sens de leur rotation. La molécule d'oxygène naît avec deux électrons non appariés qui tournent dans le même sens. Cette règle quantique a longtemps entravé les ingénieurs, jusqu'à ce qu'une équipe de chercheurs ne trouve la solution en observant la nature.
Ils ont construit un sandwich multicouche sur du verre : d'abord une couche de dioxyde de titane (celui-là même qu'on trouve dans la peinture blanche), puis des nano-îlots d'or, semblables à une dispersion de minuscules miroirs. Par-dessus, ce sandwich a été assaisonné de molécules spéciales de cystéine — les mêmes que celles présentes dans les protéines de notre organisme. L'astuce, c'est que la cystéine existe sous forme gauche et droite, comme des gants. Et seule la forme gauche a fait travailler la lumière avec une efficacité supérieure de 130 %.
Pourquoi la molécule gauche a-t-elle mieux fonctionné ? Tout est une question de spin de l'électron. En traversant la couche chirale, les électrons sont triés selon leur sens de rotation — comme des vis qui ne s'engagent que dans un filetage correspondant. Ce phénomène est appelé effet de sélection de spin. Résultat : les électrons qui atteignent le catalyseur ont le bon spin, et l'oxygène se dégage plus facilement. Les chercheurs l'ont vérifié directement : une minuscule sonde a scanné la surface de l'anode et mesuré les bulles d'oxygène pendant l'éclairage. La différence entre la cystéine gauche et droite était visible à l'œil nu — par le courant et par le nombre de bulles.
Ainsi, la nature a suggéré comment contourner l'interdit quantique. Les molécules chirales, habituellement utilisées pour la synthèse de nanoparticules, se sont révélées être aussi des aiguilleurs pour les spins électroniques. Nous avons désormais une plateforme où les électrons chauds issus des antennes plasmoniques sont immédiatement dirigés dans la bonne voie — directement vers le catalyseur d'oxygène. C'est un pas vers une feuille artificielle qui pourrait décomposer l'eau aussi habilement que les plantes vertes, mais avec des matériaux inorganiques.
La chiralité des molécules, c'est comme la main gauche et la main droite : elles sont en miroir, mais non superposables. Dans les organismes vivants, presque tous les acides aminés sont gauches, et les sucres sont droits. Pourquoi la nature a fait ce choix reste une énigme.
Dans le roman « Solaris » de Stanislas Lem, l'océan pouvait contrôler le spin des particules, créant des structures impossibles pour la physique terrestre — c'est peut-être ainsi qu'il contournait les interdits quantiques.