Des nano-membranes inspirées de la nature pour un avenir durable

La conversion du dioxyde de carbone en composés utilisables grâce à l’énergie solaire, tout en produisant simultanément de l’hydrogène, est l’ambitieux objectif de recherche d’Andrea Pannwitz, nouvelle professeure junior de chimie inorganique à l’Université d’Iéna, financée par la Fondation Carl Zeiss.

Andrea Pannwitz aspire à ce que les deux processus, à savoir la conversion du dioxyde de carbone et la production d’hydrogène, se déroulent simultanément.

«Cela signifie qu’au cours de la conversion du dioxyde de carbone, nous générons ce qu’on appelle du gaz de synthèse, un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone, qui est une précieuse matière première industrielle pour la production de nouveaux hydrocarbures», explique la chimiste. Ces derniers pourraient, dans le cas le plus simple, être utilisés comme carburants, appelés « carburants solaires » car issus de l’énergie solaire. Des produits chimiques de base de grande valeur sont également envisageables, par exemple pour la production d’agents pharmacologiques.

Bien que les applications potentielles soient prometteuses, il est crucial de comprendre ce processus de conversion le plus précisément possible. «Nous menons des recherches fondamentales pour cela», précise la scientifique. «Rendre l’énergie lumineuse chimiquement utilisable est très complexe : cela nécessite des colorants appropriés qui absorbent la lumière et un catalyseur qui conduit efficacement la réaction souhaitée. Les deux doivent être coordonnés entre eux, et l’ensemble du système doit être stable en présence d’eau.»

Des chloroplastes artificiels

Pour relever ces défis, Andrea Pannwitz et son équipe travaillent avec des nano-membranes inspirées de la nature. «Les plantes possèdent dans leurs cellules des chloroplastes, où se déroule la photosynthèse. Ces chloroplastes sont constitués de bicouches lipidiques, dans lesquelles sont intégrées les unités de chlorophylle actives qui effectuent finalement la réaction chimique», explique-t-elle. «En conséquence, dans nos recherches, nous utilisons des membranes lipidiques inspirées de la nature, dans lesquelles nous intégrons les unités catalytiquement actives, et nous étudions également comment cet environnement chimique local affecte l’efficacité de la catalyse.»

Pour ses travaux, Andrea Pannwitz trouve un environnement idéal à Iéna. «Cet endroit possède une grande force dans les projets collaboratifs, comme le centre de recherche collaborative CataLight, auquel mon équipe participe», estime-t-elle. «À l’avenir, je souhaite également m’engager dans d’autres projets collaboratifs impliquant également la lumière, ce qui s’intègre parfaitement dans la ville de la lumière qu’est Iéna.»

Montrer la vie de la recherche dès le programme d’études

Dans l’enseignement, Andrea Pannwitz accorde une grande importance à l’introduction directe des étudiants aux sujets de recherche actuels. «Il est important pour moi que les étudiants en master ou déjà en licence avancée comprennent la recherche, également sur la base des connaissances acquises lors des cours et des séminaires.»

Pour elle, cela signifie, par exemple, concevoir des séminaires particulièrement interactifs et introduire des formats qui font partie de la routine de recherche, comme une présentation de poster ou une conférence, tels qu’on les connaît lors des congrès. «Même une petite publication avec un processus d’examen interne apporte des éléments de recherche active directement dans le programme d’études», souligne-t-elle.

Après ses études de chimie à Göttingen, Andrea Pannwitz a obtenu son doctorat à l’Université de Bâle en Suisse en 2017, puis elle a mené des recherches à l’Université de Leyde aux Pays-Bas. De 2020 à 2024, elle a été professeure junior et responsable d’un groupe de recherche junior à l’Université d’Ulm.

À Iéna, sa chaire de professeur junior suit la procédure dite de «tenure track» et pourrait potentiellement être convertie en une chaire de professeur titulaire en 2026. «Bien sûr, j’aimerais rester à Iéna, également parce que je connais encore bien la ville», dit-elle en souriant. «J’ai été scolarisée ici, au lycée Carl Zeiss.» Le fait que sa chaire de professeur junior soit maintenant financée par la Fondation Carl Zeiss pourrait être un bon présage pour elle.

En synthèse

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le gaz de synthèse et comment est-il produit dans ses recherches ?

Le gaz de synthèse est un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone, obtenu lors de la conversion du dioxyde de carbone grâce à l’énergie solaire. Il s’agit d’une précieuse matière première industrielle pour la production de nouveaux hydrocarbures, tels que des carburants ou des produits chimiques de base.

Quels sont les défis à relever pour rendre l’énergie lumineuse chimiquement utilisable

Rendre l’énergie lumineuse chimiquement utilisable nécessite des colorants appropriés qui absorbent la lumière et un catalyseur qui conduit efficacement la réaction souhaitée. Les deux doivent être coordonnés entre eux, et l’ensemble du système doit être stable en présence d’eau.

Comment les recherches d’Andrea Pannwitz s’inspirent-elles de la nature ?

Andrea Pannwitz et son équipe travaillent avec des nano-membranes inspirées des chloroplastes des plantes, où se déroule la photosynthèse. Ils utilisent des membranes lipidiques dans lesquelles ils intègrent les unités catalytiquement actives, afin d’étudier l’influence de l’environnement chimique local sur l’efficacité de la catalyse.

Quelle est l’approche pédagogique pour introduire les étudiants à la recherche ?

Andrea Pannwitz accorde une grande importance à l’introduction directe des étudiants aux sujets de recherche actuels, en concevant des séminaires interactifs et en introduisant des formats qui font partie de la routine de recherche, comme des présentations de posters ou des conférences.