Nano-batteries naturelles rechargeables : plongée à l’échelle atomique dans les nanomagnétites.

Des scientifiques de l’Université de Grenoble Alpes, utilisant une analyse combinée géo-spectro-chimique unique à l’Institut des sciences de la Terre de Grenoble (ISTerre - CNRS/IRD/UGA/UGE/USMB), ont fait une découverte importante qui remet en question les théories précédentes. Leurs recherches révèlent que la décharge d’une nano-batterie, la magnétite, ne se fait pas à l’extérieur, mais à l’intérieur de la nanoparticule, sa recharge se faisant par des ions fer ferreux.
Coupe transversale de nano-batteries de magnétite rechargées montrant la couche déchargée/oxydée en jaune, l’ion de recharge en vert et la magnétite rechargée en rouge (Figure 1a), et vue d’atomes de rhénium isolés assis sur des rangées d’atomes de Fe (Figure 1b) obtenues en utilisant des techniques in-situ de pointe, combinées à la plateforme analytique géochimique et minéralogique innovante d’ISTerre (GMP) [1]

Des chercheurs de l’Université Grenoble Alpes, s’appuyant sur la plateforme géo-spectro-chimique de l’ISTerre et des analyses spectro-microscopiques menées à l’ESRF, l’ALS, l’IMMM et le LPS, ont mis en évidence un mécanisme de décharge/recharge inédit dans les nanoparticules de magnétite. Contrairement au modèle centré sur l’oxydation externe noyau-coquille, ils montrent que la décharge se produit au cœur de la particule et que la recharge intervient par insertion d’ions Fe²⁺ en périphérie.

Par ailleurs, ces travaux révèlent que l’anion Re(VII) est réduit en atomes ou amas polynucléaires de Re(IV) directement à la surface de la magnétite, offrant un nouveau regard sur la piégeage et le transport des éléments critiques (ou radioactifs) dans les environnements naturels. Les nanoparticules pré-oxydées puis rechargées présentent un « noyau » de maghémite entouré d’une noyau-coquille de magnétite, mais les électrons traversent cette coquille conductrice pour atteindre et décharger le noyau.

Ces recherches ont été menées à :
  • ISTerre Grenoble, ESRF Grenoble, ALS Berkeley, IMMM Le Mans et LPS Orsay dans le cadre des projets CNRS-MITI et METSA.
  • Les résultats de cette étude seront publiés dans la revue Science Advances le 16 mai 2025.

Référence

Single rhenium atoms on nanomagnetite : Probing the recharge process that controls the fate of rhenium in the environment
R. R. Ding, C. Guida, C. I. Pearce, E. Arenholz, J. M. Grenèche, A. Gloter, A. C. Scheinost, K. O. Kvashnina, K. F. Wang, A. Fernandez-Martinez, Y. Mu, K. M. Rosso, L. Charlet,
Science Advances 2025.
DOI : https://doi.org/10.1126/sciadv.adq3650

Contacts scientifiques

[1] La plate-forme GM a été cofinancée par le CNRS, l’Agence française des déchets nucléaires (ANDRA) et la Région Auvergne-Rhône-Alpes. Elle fait partie du Réseau Géochimique et Expérimental Français (RéGEF).