Brevet FR3135352A1 — publié le 20231110

GENERATEUR D’ELECTRICITE A BASE DE FIBRES AMYLOÏDES La présente invention concerne l’utilisation de fibres amyloïdes conductrices d’ions hydroniums, ou de fils comprenant une pluralité de fibres amyloïdes conductrices d’ions hydroniums, pour générer une énergie électrique à partir d’une atmosphère environnante humide. Est également concerné un dispositif comprenant de tels fibres ou fils. COMMISSARIAT A L’ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES UNIVERSITE GRENOBLE ALPES CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE GENERATEUR D’ELECTRICITE A BASE DE FIBRES AMYLOÏDES La présente invention concerne la génération d’énergie électrique. Plus précisément, il est décrit un dispositif comprenant des fils amyloïdes permettant de produire de l’énergie électrique à partir de l’humidité ambiante ou de toute atmosphère contenant de la vapeur d’eau, ainsi que son utilisation pour produire de l’énergie et son procédé de préparation. La demande énergétique, notamment d’énergie électrique, est de plus en plus importante, et il devient nécessaire de disposer de sources d’énergies renouvelables afin de réduire les impacts négatifs sur l’environnement liés à la consommation d’énergie fossile. L’eau, recouvrant 71 % de la surface de la Terre, représente le plus grand réservoir d’énergie au monde. L’eau capte environ 35 % de l’énergie solaire reçue par la Terre, ce qui correspond à 60 petawatts (10 15 W) (Stephens et al., Nature Geosci 5, 691-696 (2012)). De nombreux efforts ont été faits dans le but de récupérer de l’énergie à partir de l’eau sous différentes formes : les rivières et les océans, les marées ou bien encore les gouttes de pluie. La récupération d’énergie à partir de l’eau, l’hydroélectricité, se fait principalement avec la construction de barrages hydrauliques ou bien des usines marémotrices. Ces usines utilisent principalement des générateurs électromagnétiques qui sont lourds, volumineux et sont dépendants de l’apport en eau disponible. Très récemment, l’hydrovoltaïque a été proposé comme moyen alternatif de produire de l’énergie électrique à partir de l’eau (Zhang et al., Nature Nanotech 13, 1109-1119 (2018)). Contrairement aux technologies actuelles qui récupèrent l’énergie cinétique (dans le cas des cours d’eau et rivières) ou potentiel (dans le cas des bassins et des lacs) de l’eau, la technologie hydrovoltaïque permet de générer directement de l’énergie à partir de l’interaction directe entre l’eau et le matériau. Cependant, l’hydrovoltaïque développé jusqu’ici utilise principalement des matériaux inorganiques. Les matériaux actuellement utilisés sont réalisés à partir de nanofils de silicium, d’hydroxyde de Ni/Al ou bien encore à partir du carbone (graphène ou nanotubes de carbones) (Yang et al. (2018) J. Am. Chem. Soc. 140, 13746–13752; Tang et al., (2016), Angew . Chem. Int. Ed. 55, 14412-14416; Yin et al., (2014), Nat. Commun. 5, 3582 ; Xu et al., Nature 578, 392–396 (2020)). L’eau se trouvant sous forme de vapeur dans l’atmosphère ambiante pourrait aussi être utilisée pour récupérer de l’énergie. Il a été rapporté une production d’énergie à partir de l’humidité ambiante avec des matériaux biologiques (Liu et al., Nature 578, 550–554 (2020) ; WO 2020/069523). Cependant, ce dispositif, composé de bionanofils issus de Geobacter sulfurreducens , doit être exposé à un gradient de vapeur d’eau pour produire de l’énergie. Ces filaments ne résultent pas d’un autoassemblage, mais requièrent la machinerie interne de la bactérie pour leur formation. De plus, les bionanofils utilisés sont issus d’une protéine recombinante nécessitant l’utilisation d’ Escherichia coli comme support pour leur production ; c’est un verrou important pour une production en masse et une industrialisation à grande échelle du procédé. Rongier (2018, thèse intitulée « Auto-assemblage de protéines pour la bioéléctronique : Etude du transport de charges dans les fibres amyloïdes », soutenue publiquement le 13 février 2018) décrit un processus de transport de charges intrinsèques dans des fibres amyloïdes composées de protéines HET-s (218-289), dans lequel des canaux d’eau formés au sein des fibres permettraient le transport de protons par un mécanisme de type Grotthuss. Toutefois, ce document ne décrit pas que de telles fibres amyloïdes sont aptes à générer une énergie électrique lorsqu’elles sont placées dans une atmosphère humide. Il existe un besoin de disposer d’un matériau permettant de générer de l’énergie électrique à partir d’une atmosphère environnante humide qui soit d’un faible coût et qui puisse être aisément obtenu, notamment à l’échelle industrielle. Il existe également un besoin de disposer d’un tel matériau qui soit biodégradable et renouvelable. Il existe également un besoin de disposer d’un tel matériau permettant de produire une quantité d’énergie électrique modulable en fonction du taux d’humidité relative dans l’atmosphère environnante. Il existe également un besoin de disposer d’un tel matériau permettant de réaliser différentes configurations électriques. Il existe également un besoin de disposer d’un matériau capable d’alimenter en énergie électrique différents appareils électriques ou électroniques en générant une énergie électrique à partir d’une atmosphère environnante humide. La présente invention a pour objet de satisfaire à tout ou partie de ces besoins. L’invention concerne un matériau comprenant des fibres amyloïdes conductrices d’ions hydroniums et permettant d’exploiter la source potentielle d’énergie que constitue l’atmosphère environnante humide pour générer une énergie électrique. L’invention concerne également un dispositif comprenant un tel matériau et configuré pour produire une énergie électrique, ainsi que l’utilisation d’au moins une fibre amyloïde ou d’au moins un tel matériau, tels que décrits ici, pour générer une énergie électrique à partir de vapeur d’eau, i.e. par contact d’au moins une portion de la fibre avec une atmosphère humide environnante. Le matériau décrit ici est composé de protéines hiérarchiquement auto-assemblées en fibres amyloïdes. Ces fibres peuvent être assemblées en fils. Ce matériau, composé ou constitué de fibres amyloïdes, permet, lorsqu’inséré entre deux électrodes, de produire une énergie électrique à partir de l’humidité de l’atmosphère environnante. Avantageusement, un tel matériau est complétement biodégradable et est renouvelable. Un tel matériau permet ainsi de produire une énergie verte, à faible coût et modulable en fonction du taux d’humidité ambiante. Selon un autre de ses avantages, un matériau de fibres amyloïdes peut être obtenu de manière peu coûteuse, par exemple à partir de l’α-lactalbumine (α-LAC), qui est un sous-produit des produits laitiers et peut être obtenue à l’échelle industrielle. Avantageusement, un matériau de fibres amyloïdes présente l’avantage, comparé à des matériaux inorganiques, d’être biodégradable, non toxique, et biocompatible. Selon un autre de ses avantages, un matériau de fibres amyloïdes permet d’obtenir une différence de potentiel à humidité ambiante (60 %) et à très haute humidité permettant ainsi d’ajuster la tension obtenue et de la moduler jusqu’à une valeur cible. Selon un autre de ses avantages, un matériau de fibres amyloïdes peut présenter une grande résistance interne (~ 100 MΩ). Dans un dispositif de génération d’énergie électrique comprenant des fils de fibres amyloïdes, la résistance peut être modulable à façon en faisant varier le nombre de fils qui peuvent être mises en série ou en parallèle. Selon un autre de ses avantages, un matériau de fibres amyloïdes peut présenter une grande stabilité. La présente invention concerne une utilisation d’au moins une fibre amyloïde, ou d’au moins un fil comprenant une pluralité de fibres amyloïdes, pour générer une énergie électrique à partir d’une atmosphère environnante humide. Par « fibre », on entend désigner une structure dont la dimension longitudinale est significativement supérieure à la dimension latérale. Par « fil » on entend désigner un assemblage de fibres. Par « fibre amyloïde », on entend désigner une fibre comprenant des protéines structurées en feuillets β et qui s’organisent en une fibre insoluble. La fibre peut être constituée entièrement de protéines structurées en feuillets β ou être essentiellement constituée de protéines structurées en feuillets β i.e. en quantité suffisante pour conférer à la fibre les propriétés d’une fibre amyloïde. Par « générer une énergie électrique à partir d’une atmosphère environnante humide » on entend, au sens de l’invention, désigner la capacité d’une fibre amyloïde telle que décrite ici, de réagir avec au moins une partie de la vapeur d’eau, ou humidité, contenue dans l’atmosphère environnante, i.e. en contact avec, et générer une énergie électrique. La teneur en vapeur d’eau d’une telle atmosphère est suffisante pour permettre la génération d’ions hydronium. Les ions hydronium peuvent circuler le long de la fibre amyloïde. Une teneur en vapeur d’eau suffisante peut varier d’environ 30% à environ 100%. Par « énergie électrique » on entend désigner l’énergie potentielle d’une charge électrique dans un champ électrique ou un courant électrique dans un champ magnétique. L’énergie électrique générée lors d’une utilisation, selon l’invention, d’une fibre amyloïde ou d’un fil de fibres amyloïdes est une différence de potentielle qui se crée entre les extrémités de la fibre ou du fil. Cette différence de potentielle peut être utilisée pour générer un courant électrique. Selon un de ses aspects, la présente invention concerne une utilisation d’au moins une fibre amyloïde conductrice d’ions hydroniums, ou d’au moins un fil comprenant une pluralité de fibres amyloïdes conductrices d’ions hydroniums, pour générer une énergie électrique à partir d’une atmosphère environnante humide. Par « ion hydronium », on entend désigner le cation H 3 O + issu de la protonation d’une molécule d’eau. Par fibre « conductrice d’i ons hyd r onium », on entend désigner la capacité d’une fibre à assurer une conduction de type ionique et protonique permettant le déplacement d’ions hydronium ou de protons dans sa direction longitudinale. Comme détaillé dans la section Exemples , les inventeurs ont observé, de manière surprenante, que des fibres amyloïdes exposées à une atmosphère humide étaient capables de générer une différence de potentiel électrique entre ses deux extrémités. En effet, il a été observé qu’un fil composé de fibres amyloïdes, notamment d’α-lactalbumine, obtenu par formation et séchage d’un hydrogel généré, par exemple, par chauffage en pH d’acide de protéines α-lactalbumine, inséré entre deux électrodes et exposé à une atmosphère humide était apte à générer une différence de potentiel et ainsi produire une énergie électrique. L’énergie électrique ainsi produite a permis d’alimenter et de charger un condensateur. Les expériences ont été réalisées avec une atmosphère environnante ayant une humidité relative (RH) de 95 %. Une telle humidité relative permet la génération d’un signal électrique de manière rapide et facile. Néanmoins, il est possible de faire fonctionner un dispositif tel que décrit ici à plus basse humidité (40 %). Selon un mode de réalisation une fibre ou un fil, tels que décrits ici, peut être électriquement connecté à une première et à une seconde électrode. Selon un autre de ces aspects la présente invention concerne un dispositif de production d'énergie électrique comprenant : a) au moins une fibre amyloïde conductrice d’ions hydroniums, ou au moins un fil comprenant une pluralité de fibres amyloïdes conductrices d’ions hydroniums, b) au moins une paire d’électrodes comprenant une première électrode et une seconde électrode, lesdites électrodes étant électriquement connectées à ladite fibre ou audit fil, ladite fibre ou ledit fil étant destiné à, ou configuré pour, être exposé, au moins partiellement, à une atmosphère environnante humide. Par « atmosphère environnante humide » on entend désigner une atmosphère en contact avec tout ou partie d’une fibre amyloïde ou d’un fil composé de fibres amyloïdes et comprenant des molécules d’eau à l’état de vapeur. La teneur en vapeur d’eau d’une telle atmosphère est suffisante pour permettre la génération et la conduction d’ions hydronium dans ces fibres ou fils. Une teneur en vapeur d’eau suffisante peut varier d’environ 0.1 à environ 100%, par exemple d’environ 1% à environ 99%, par exemple d’environ 2% à environ 98%, par exemple d’environ 5 à environ 95%, par exemple d’environ 10 à environ 90%, par exemple d’environ 20 à environ 80%, par exemple d’environ 30 à environ 70%, par exemple d’environ 40 à environ 60%. La paire d’électrodes (ou les électrodes) d’un dispositif tel que décrit ici est configurée pour être connectée à un appareil électrique ou électronique destiné à (ou configuré pour) être alimenté en énergie électrique. Selon une variante de réalisation, un dispositif tel que décrit ici peut comprendre une pluralité de paires de première et seconde électrodes, chacune desdites paires d’électrodes étant électriquement connectée à un fil ou à une pluralité, au moins 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 500, 1000, ou plus, de fils. Lorsqu’une paire d’électrodes est connectée à une pluralité de fils, ceux-ci sont électriquement connectés en parallèle. Un dispositif tel que décrit ici peut comprendre une pluralité de paires de première et deuxième électrodes. Ces paires d’électrodes peuvent être électriquement reliées entre elles en série ou en parallèle. Selon une variante de réalisation, une utilisation ou un dispositif, tel que décrit ici, peut mettre en œuvre une fibre amyloïde composée de protéines choisies parmi l’α-lactalbumine, la β-lactoglobuline, le lysozyme, ou la protéine HET-s. Les fibres et fils amyloïdes décrits ici sont constituées de protéines structurées en feuillet β et autoassemblées. Selon une variante de réalisation, une utilisation ou un dispositif, tel que décrit ici, peut mettre en œuvre un fil ayant un diamètre d’environ 300 µm à environ 700 µm, en particulier d’environ 500 µm. Selon une variante de réalisation, une utilisation ou un dispositif, tel que décrit ici, peut mettre en œuvre un fil ayant une longueur d’environ 0,5 mm à environ 2,5 mm, en particulier d’environ 1,0 à environ 1,5 mm. Selon une variante de réalisation, une utilisation ou dispositif, tels que décrits ici, peut mettre en œuvre une première et seconde électrode, la première et/ou la seconde électrode étant une électrode d’or, d’argent, de platine, d’aluminium ou de carbone. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne l’utilisation d’un dispositif, tel que décrit ici, pour alimenter en énergie électrique un appareil électrique ou électronique destiné à, ou configuré pour, être alimenté en énergie électrique. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un procédé pour alimenter en énergie électrique un appareil électrique ou électronique destiné à, ou configuré pour, être alimenté en énergie électrique, le procédé comprenant au moins une étape consistant à exposer à une atmosphère environnante humide, au moins partiellement, au moins une fibre amyloïde conductrice d’ions hydroniums, ou au moins un fil de telles fibres, ladite fibre ou ledit fil étant disposé dans un dispositif de production d’énergie électrique tel que décrit ici, ledit dispositif étant électriquement connecté audit appareil électrique. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un procédé pour alimenter en énergie électrique un appareil électrique ou électronique destiné à, ou configuré pour, être alimenté en énergie électrique, le procédé comprenant au moins les étapes consistant à : a) connecter électriquement un dispositif, tel que décrit ici, à un appareil électrique ou électronique destiné à être alimenté en énergie électrique, et b) exposer, au moins partiellement, ladite fibre ou ledit fil à une atmosphère environnante humide. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif, tel que décrit ici, comprenant au moins les étapes consistant à : a) mettre en contact un hydrogel de fibres amyloïdes avec une paire d’électrodes comprenant une première et une seconde électrodes pour connecter électriquement lesdites électrodes avec l’hydrogel, et b) sécher l’hydrogel pour obtenir un fil de fibres amyloïdes connecté électriquement auxdites électrodes. Par « hydrogel de fibres amyloïdes » on entend designer un réseau tridimensionnel de chaînes de protéines structurées en feuillets β et contenant de l'eau. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif, tel que décrit ici, comprenant au moins l’étape consistant à sécher un hydrogel de fibres amyloïdes mis en contact avec une première et une seconde électrode d’une paire d’électrodes pour obtenir un fil de fibres amyloïdes connecté électriquement auxdites électrodes. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif, tel que décrit ici, comprenant au moins les étapes consistant à : - mettre en contact un hydrogel de fibres amyloïdes avec une première et une seconde électrode d’une paire d’électrodes pour connecter électriquement lesdites électrodes avec l’hydrogel, et - sécher l’hydrogel de fibres amyloïdes pour obtenir un fil de fibres amyloïdes connecté électriquement auxdites électrodes. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif, tel que décrit ici, comprenant au moins les étapes consistant à : - préparer un hydrogel de fibres amyloïdes par solubilisation de protéines aptes à s’autoassembler en fibres amyloïdes, en une teneur variant d’au moins 5 g/L à la limite de solubilité, dans une solution saline acide de pH variant d’environ 1,5 à environ 2,5, puis chauffage de la solution obtenue à une température variant d’environ 35 à 55°C, pendant une durée d’au moins 10 heures, - mettre en contact l’hydrogel de fibres amyloïdes préparé à l’étape a) avec une première et une seconde électrode d’une paire d’électrode pour connecter électriquement lesdites électrodes avec l’hydrogel, et - sécher l’hydrogel pour obtenir un fil de fibres amyloïde connecté électriquement auxdites électrodes. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un appareil électrique ou électronique alimenté en énergie électrique par un dispositif tel que décrit ici. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un capteur d’humidité comprenant au moins un dispositif, tel que décrit ici. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un coupe circuit électrique réactif à l’humidité comprenant au moins un dispositif, tel que décrit ici. Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un chargeur électrique comprenant au moins un dispositif, tel que décrit ici. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d’autres aspects de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante. représente un schéma de réalisation de fils amyloïdes d’α-lactalbumine configurés pour la récupération d’énergie à partir de l’humidité ambiante. Des fils amyloïdes d’α-lactalbumine ( 6 ) sont disposés entre, et connectés à, deux fils de platine ( 1a,b ). Les fils de platine sont reliés à des vis ( 5 ) permettant la connexion à un circuit électrique et sont disposés dans des capillaires en verre ( 2 ). L’extrémité de chacun des capillaires de verre ( 2 ) tournée vers les fils d’α-lactalbumine ( 6 ) est obturée par de la cire d’abeille ( 4 ). Les fils amyloïdes d’α-lactalbumine ( 6 ) sont obtenus à partir d’une goutte de gel de fibres amyloïdes d’α-lactalbumine ( 3 ) disposée entre les fils de platine ( 1a,b ) et laissée séchée pendant 1 à 3 heures ( A ). représente des schémas de montage des circuits en parallèles (Fig. 2A ) et en séries ( Fig. 2B ) dans lesquels chacun des Gi-Zi représente un dispositif comprenant des fils amyloïdes reliés à des électrodes de platines, comme décrit ici. représente la caractérisation électronique des fils amyloïdes d’α-lactalbumine. Fig. 3A représente les différences de potentiels en circuit ouvert (Eoc (V)) obtenues en fonction de la configuration des fils : fil seul (noir plein), 3 fils en séries (noir traits) et 3 fils en parallèles (noir pointillés). Fig. 3B : Charge d’un condensateur 470 µF 16 V en fonction de la configuration des fils : fil seul (noir plein), 3 fils en séries (noir traits) et 3 fils en parallèles (noir pointillés). Fig. 3C : Charge d’un condensateur 470 µF 16 V avec 3 fils en parallèles et détermination de la constante de temps. Fig. 3D : Stabilité de la charge d’un condensateur sur une période de 50 h. représente l’évolution du potentiel en circuit ouvert (E(V)) sur deux fils amyloïdes d’α-lactalbumine en fonction de l’humidité : à 95 % et 60 % et l’influence du sens de branchement sur les électrodes démontrant une polarisation des fils amyloïdes de protéines d’α-lactalbumine. représente ( 5 A ) un schéma de montage d’une plaque sur laquelle des électrodes ( 5 B ) (7a, 7b) ont été imprimées. Les électrodes portent à leur extrémité de la cire (8). Une goutte d’un hydrogel de fibres amyloïdes est déposée et laissée sécher ( E ). Utilisation d’au moins une fibre amyloïde conductrice d’ions hydroniums, ou d’au moins un fil comprenant une pluralité de fibres amyloïdes conductrices d’ions hydroniums, pour générer une énergie électrique à partir d’une atmosphère environnante humide. Utilisation selon la revendication 1, dans laquelle ladite fibre ou ledit fil est électriquement connecté à une première et à une seconde électrode. Dispositif de production d'énergie électrique comprenant : a) au moins une fibre amyloïde conductrice d’ions hydroniums, ou au moins un fil comprenant une pluralité de fibres amyloïdes conductrices d’ions hydroniums, b) au moins une paire d’électrodes comprenant une première électrode et une seconde électrode, lesdites électrodes étant électriquement connectées à ladite fibre ou audit fil, ladite fibre ou ledit fil étant destiné à être exposé, au moins partiellement, à une atmosphère environnante humide. Dispositif selon la revendication 3, comprenant une pluralité de paires de première et seconde électrodes, chacune desdites paires d’électrodes étant électriquement connectée à un fil ou à une pluralité de fils. Utilisation selon la revendication 1 ou 2, ou dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle ou lequel ladite fibre est composée de protéines choisies parmi l’α-lactalbumine, la β-lactoglobuline, le lysozyme, ou la protéine HET-s. Utilisation selon l’une des revendications 1, 2 ou 5, ou dispositif selon l’une des revendications 3, 4 ou 5, dans laquelle ou lequel la première et/ou la seconde électrodes sont choisies parmi des électrodes d’or, d’argent, de platine, d’aluminium ou de carbone. Utilisation d’un dispositif selon l’une des revendications 3 à 6, pour alimenter en énergie électrique un appareil électrique ou électronique destiné à être alimenté en énergie électrique. Procédé pour alimenter en énergie électrique un appareil électrique ou électronique destiné à être alimenté en énergie électrique, le procédé comprenant au moins une étape consistant à exposer à une atmosphère environnante humide, au moins partiellement, au moins une fibre amyloïde conductrice d’ions hydroniums, ou au moins un fil comprenant une pluralité de fibres amyloïdes conductrices d’ions hydroniums, ladite fibre ou ledit fil étant disposé dans un dispositif de production d’énergie électrique selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, ledit dispositif étant électriquement connecté audit appareil électrique. Procédé de fabrication d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, comprenant au moins une étape consistant à sécher un hydrogel de fibres amyloïdes disposé entre une première et une seconde électrode d’une paire d’électrodes pour connecter électriquement lesdites électrodes avec l’hydrogel pour obtenir un fil de fibres amyloïdes connecté électriquement auxdites électrodes. Capteur d’humidité, coupe circuit électrique réactif à l’humidité, ou chargeur électrique comprenant au moins un dispositif selon l’une des revendications 3 à 6.