Les sciences des fluides et de la lumière ont partie liée depuis que Léon Foucault, en déterminant la vitesse de la lumière en 1862, a constaté que celle-ci n'était pas la même dans l'eau et dans l'air.

Ces règles physiques sont désormais exploitées dans des applications qui permettent de diriger la lumière là où elle sera la plus utile.

Le magazine Nature Photonics consacre son édition spéciale d'octobre à l'optofluidique, une discipline récente qui combine l'optique avec la microfluidique, cette dernière s'intéressant au transport de quantités infinitésimales de liquides au moyen de tubes extrêmement fins. Demetri Psaltis, doyen de la Faculté sciences et techniques de l'ingénieur de l'EPFL, et ses co-auteurs affirment dans cette édition que l'optofluidique est à même de s'attaquer à l'un des plus grands défis de ce 21e siècle : l'énergie.

« En dirigeant la lumière tout en la concentrant à l'endroit où elle sera le mieux utilisée, nous pourrions améliorer de façon significative l'efficacité de systèmes de production d'énergie déjà existants ou à inventer, explique Demetri Psaltis. L'EPFL est le leader mondial de l'optofluidique, nous sommes donc en bonne position pour développer des sources d'énergie véritablement efficaces et d'un genre totalement nouveau. »

La lumière du soleil est déjà utilisée pour produire de l'énergie autrement qu'avec des panneaux classiques. Par exemple, on s'en sert dans des usines de biocarburants pour convertir l'eau et le gaz carbonique en méthane. L'utilisation de prismes et de miroirs pour guider et concentrer la lumière afin de chauffer de l'eau est monnaie courante sur les toits des maisons ou des immeubles. Ces techniques utilisent en fait les mêmes principes que ceux qui sont à l'oeuvre en optofluidique, soit le contrôle et la manipulation de la lumière et la circulation contrôlée de liquides – mais sans la précision que permettent les micro et nanotechnologies.

L'éclairage solaire, un exemple d'application future de l'optofluidique

Comment exploiter au mieux la lumière qui frappe le toit d'un immeuble ? Un système d'éclairage domestique solaire optofluidique pourrait récupérer et concentrer la lumière reçue en « suivant » la source grâce à la modification de l'angle de réfraction de l'eau présente dans les capteurs ; il peut ensuite la canaliser à l'intérieur du bâtiment. Celle lumière peut dès lors être utilisée pour éclairer des pièces, faire fonctionner un filtre à air microfluidique ou alimenter des cellules solaires intérieures qui, n'étant pas soumises aux intempéries, dureraient plus longtemps. Une telle installation représente une nouvelle façon d'exploiter l'énergie solaire en remplacement des sources non renouvelables.

Dans un tel système, il serait indispensable de s'assurer que les équipements secondaires puissent être désactivés en cas de fluctuation de l'ensoleillement – lors du passage d'un nuage par exemple. Il ne serait en effet pas tolérable que l'intensité de la lumière dans les pièces éclairées varie continuellement. Or il existe déjà, en optofluidique, un procédé permettant de gérer les flux de lumière dans différents canaux de façon simple et bon marché : l'electrowetting, consistant à faire varier la forme de gouttelettes d'eau installées entre deux microtubes parallèles utilisés comme fibres optiques. Au repos, ces gouttes bien rondes ne touchent qu'un seul des tubes et la lumière ne sort pas de son canal. Si on applique un courant, les ions qu'elles contiennent s'excitent, leur forme s'allonge et elles rejoignent alors l'autre tube, créant un « pont d'eau » entre les deux fibres, par lequel s'échappe la lumière qui les parcourait. Avec très peu d'énergie, on peut ainsi jouer sur le flux lumineux.

Passer à l'échelle supérieure pour intéresser l'industrie

«Pour l'optofluidique appliquée à l'énergie, le plus grand défi est de réussir à garder la précision dont nous sommes capables au niveau macro et nanoscopique, tout en créant des à l'échelle industrielle, à même de satisfaire aux besoins d'énergie de la population », prévient David Erickson, professeur à Cornell University et professeur invité à l'EPFL. « Tout comme un superordinateur est fabriqué à partir de plusieurs processeurs, passer à l'échelle supérieure dans le domaine de l'optofluidique reviendra sans doute à mettre ensemble de nombreuses « puces microfluidiques » afin de créer un super-réacteur. »

Dans les canaux, les réactions surviennent principalement au point de contact entre les liquides qu'ils transportent et les parois des tubes, recouvertes d'un catalyseur. Le rendement d'un tel système dépend donc de la surface à disposition. En réduisant la taille de ces canaux à des dimensions micro ou nanoscopiques, on multiplie par plusieurs milliers la surface de réaction disponible: des réactions chimiques plus nombreuses peuvent ainsi avoir lieu dans un volume beaucoup plus petit. En ajoutant une source de lumière comme catalyseur à des puces microfluidiques dont les nanotubes laissent passer des chaînes de molécules individuelles, il devient possible de contrôler les réactions avec une précision et une efficacité jamais atteinte.

L'article publié dans Nature Photonics décrit de nombreuses possibilités permettant d'envisager le passage à l'échelle supérieure des méthodes de l'optofluidique, comme par exemple le recours à des fibres optiques – composées de nanotubes fabriqués en masse – pour transporter la lumière du soleil vers de grands réacteurs à biocarburants que l'on pourrait laisser à l'intérieur des usines.

Les auteurs soulignent que la possibilité de réduire l'espace nécessaire pour ces opérations augmentera le rendement énergétique et fera baisser les coûts de la production d'énergie propre. L'optofluidique permet beaucoup de flexibilité dès lors qu'il s'agit de concentrer et de guider la lumière du soleil pour l'exploiter. Elle permet aussi de limiter l'usage des catalyseurs de surface, qui sont souvent les éléments les plus coûteux dans les réacteurs.

Citation: Nature Photonics, Online Publication September 11 • 10.1038/nphoton.2011.209.
Titre : Optofluidics for energy applications Auteurs: D. Erickson, D. Sinton, D. Psaltis