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Exploiter les déchets de biomasse végétale pour créer des matériaux optiques

Posté le par Arnaud Moign dans Matériaux, Biotech & chimie

Environ 181,5 milliards de tonnes de biomasse lignocellulosique sont produites chaque année par la biosphère. Un groupe de recherche international étudie les possibilités offertes par l’utilisation de déchets de biomasse végétale pour la création de matériaux renouvelables pour des applications optiques.

La lignocellulose, matière première abondante, et surtout renouvelable, est largement sous-exploitée : on estime que l’être humain en utilise à peine 8 milliards de tonnes par an¹.

À titre de comparaison, notre consommation de pétrole annuelle représente plusieurs milliards de tonnes par an, sachant que le pétrole n’est pas une ressource renouvelable à échelle humaine !

Films composites de nanocellulose pour l’optique (Crédit : Derya Atas/Aalto University)

La lignocellulose, une ressource abondante, renouvelable et peu exploitée

La lignocellulose est un terme qui englobe la cellulose, la lignine et l’hémicellulose, des composants que l’on retrouve dans la quasi-totalité des végétaux.

La lignocellulose apparaît comme co-produit de nombreuses activités humaines. À titre d’exemple, l’industrie papetière rejette à elle seule environ 130 millions de tonnes de lignine par an². Cette ressource est largement sous-utilisée, car elle est essentiellement utilisée comme source de combustible solide à faible énergie.

Il est donc logique que la valorisation et l’exploitation durable des lignocelluloses intéressent fortement le monde scientifique, pour le bio-raffinage, la fabrication de matériaux ou d’autres applications.

Une vaste étude sur les possibles applications optiques des structures à base végétale

Une équipe composée de chercheurs des universités d’UBC Vancouver (Canada), de RISE (Suède), d’Aalto et de Turku (Finlande), a publié une évaluation critique de l’utilisation de la lignocellulose dans le développement de matériaux optiques fonctionnels pour dispositifs intelligents.

Les effets de la fibrillation, de l’alignement des fibrilles, de la densification, de l’autoassemblage, de la structuration des surfaces ou de la composition sur certaines propriétés optiques sont autant de sujets traités dans cette vaste étude disponible en open access dans la revue académique Advanced Materials. Les propriétés optiques en question concernent notamment la transparence, le trouble, la luminescence, l’absorption des UV ou encore les couleurs structurelles.

Le champ d’application de l’étude couvre ainsi les principaux matériaux structurels d’origine végétale, mais aussi les additifs non lignocellulosiques ayant une fonction optique.

L’objectif : le remplacement du verre

À l’heure actuelle, les chercheurs travaillent sur des prototypes à l’échelle du laboratoire. À l’université d’Aalto (Finlande), par exemple, les scientifiques ont mis au point des fibres légères et des tissus réactifs à la lumière.

Dans un communiqué de presse, Kati Miettunen, professeure d’ingénierie des matériaux à l’université de Turku et co-auteure de cette étude, l’affirme : « Nous sommes actuellement capables d’ajouter des fonctionnalités à la lignocellulose et de la personnaliser plus facilement que le verre. Par exemple, si nous pouvions remplacer le verre des cellules solaires par de la lignocellulose, nous pourrions améliorer l’absorption de la lumière et obtenir un meilleur rendement opérationnel ».

Mais pour que de tels matériaux se démocratisent, plusieurs freins doivent encore être levés. Le principal obstacle technique concerne le caractère hydrophile des matériaux lignocellulosiques. Pour être utilisables pour des applications optiques, ils devront être stables en condition humide. L’application de couches barrières et de traitements de surface fait ainsi partie des pistes envisagées.

L’autre obstacle majeur concerne les coûts de fabrication. Celui-ci est néanmoins en train d’être surmonté : si le développement des nanocelluloses a réellement commencé au début des années 2000, cela fait peu de temps que les coûts de production ont suffisamment baissé pour envisager une production industrielle.

¹D’après l’étude publiée le 26 octobre 2021 dans Advanced Materials, en open access / doi: 10.1002/adma.202104473

²D’après le projet européen LIGNINFIRST

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Posté le par Arnaud Moign


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