La source d’énergie du biofilm de l’UMass, intégrée dans un patch cutané avec un capteur de contrainte conçu pour suivre les mouvements de déglutition.
Les appareils électroniques portables pourraient bientôt être alimentés par des microbes morts. De nouvelles recherches menées par l’UMass Amherst ont mis en évidence un biofilm qui produit de l’électricité à partir de la sueur, en exploitant les cadavres de bactéries mortes – et il est au moins aussi efficace qu’une batterie.
La nouvelle étude, publiée dans Nature Communications, s’appuie sur des recherches antérieures concernant une souche particulière de bactéries connue sous le nom de Geobacter sulfurreducens. Également connu sous le nom d' »electricigènes », ce microbe est l’un de ceux qui ont démontré leur capacité à produire de l’électricité dans certaines conditions, notamment pendant le processus d’évaporation. Cela en fait un candidat idéal pour les biofilms, qui peuvent être collés sur la peau afin de récolter de l’énergie utilisable pour les appareils électroniques portables grâce à l’évaporation de la sueur.
Le problème jusqu’à présent était qu’il était assez difficile de maintenir ces microbes en vie, de conserver des conditions appropriées et de fournir des matières premières en continu. L’équipe d’Amherst a découvert que G. sulfurreducens n’a pas besoin d’être vivant pour produire de l’électricité. En fait, il semble qu’il fonctionne encore mieux lorsqu’il est libéré des obligations de la vie.
Les minuscules nanofils naturels qui relient les colonies de G. sulfurreducens entre elles.
« C’est beaucoup plus efficace », explique Derek Lovley, professeur émérite de microbiologie à l’UMass Amherst et l’un des principaux auteurs de l’article. « Nous avons simplifié le processus de production d’électricité en réduisant radicalement la quantité de traitement nécessaire. Nous cultivons durablement les cellules dans un biofilm, puis nous utilisons cette agglomération de cellules. Cela réduit les apports énergétiques, simplifie tout et élargit les applications potentielles. »
G. sulfurreducens se développe en colonies fines et matelassées, de l’épaisseur d’une feuille de papier, dans lesquelles chaque microbe est relié à ses voisins par ce que l’équipe de recherche appelle des « nanofils naturels ». L’équipe prend ces tapis et y grave de petits circuits à l’aide d’un laser. Ils sont ensuite pris en sandwich entre des électrodes et enfermés dans un patch en polymère souple et poreux qui est porté sur la peau, où il commence à produire de l’électricité lorsque la sueur s’évapore de la peau.
Il est intéressant de noter que ce biofilm semble fonctionner beaucoup mieux que les générateurs de courant inorganiques basés sur l’évaporation lorsqu’il s’agit d’eau salée. Selon l’article de recherche, sa structure facilite également l’évaporation – les chercheurs notent que « l’évaporation de l’eau à travers les biofilms était encore plus rapide que sur une surface d’eau ouverte. »
Un réseau de sources d’énergie de biofilms alimente un train LCD en laboratoire.
« Le facteur limitant de l’électronique portable a toujours été l’alimentation électrique », explique Jun Yao, professeur de génie électrique et informatique à l’UMass, et autre auteur principal de l’article. « Les batteries s’épuisent et doivent être changées ou rechargées. Elles sont également encombrantes, lourdes et inconfortables. » Ce biofilm, souligne l’équipe, produit autant d’énergie qu’une batterie de taille comparable, n’a pas besoin d’être nourri ou soigné, et n’a jamais besoin d’être branché et chargé.
Les expériences présentées dans cet article ont montré qu’un patch cutané à base de biofilm conservait ses performances pendant au moins 18 heures et pouvait alimenter un capteur de tension mesurant le pouls, la respiration et d’autres signaux corporels. Lorsqu’elles sont interconnectées, les feuilles de biofilm alimentent un capteur de glucose électrochimique portable à motif laser. Lors des tests en laboratoire, les biofilms ont montré des performances similaires au 35e jour de test qu’au premier jour.
Mais le potentiel ici pourrait être bien plus important que les portables.
« Nos résultats démontrent que les feuilles de biofilms sont un matériau innovant, produit de manière durable, capable de produire de l’électricité à l’échelle à partir de l’évaporation », peut-on lire dans l’étude. « D’autres stratégies d’organisation des cellules microbiennes en matériaux hautement canalisés et de grande surface peuvent être réalisables. L’ubiquité des micro-organismes et leur propension à la formation de biofilms suggère des possibilités de récolte d’électricité via des stratégies similaires basées sur l’évaporation dans divers environnements. »
Si cela s’avère réalisable sur de grandes surfaces, environ 50 % de l’énorme quantité d’énergie solaire qui atteint la Terre est absorbée par le processus d’évaporation de l’eau, et peut-être que cette technologie pourrait représenter un moyen d’exploiter une partie de cette énergie – bien que ce soit certainement un long chemin à parcourir.
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32105-6
https://www.umass.edu/news/article/bacteria-powering-truly-green-revolution-personal-electronics
