Une nouvelle classe de matériaux capables d’absorber la lumière à faible énergie et de la transformer en lumière à plus haute énergie est un composite de matériaux organiques et inorganiques. L’équipe comprend des chercheurs de l’Université du Texas à Austin. Crédit : Université du Texas à Austin
Des chercheurs ont mis au point un matériau hybride qui transforme efficacement la lumière de faible énergie en lumière de plus haute énergie, ce qui pourrait révolutionner les applications dans les domaines de l’énergie solaire, de l’imagerie médicale et des technologies de vision nocturne.
Un groupe de scientifiques et d’ingénieurs, dont des chercheurs de l’université du Texas à Austin, a créé une nouvelle classe de matériaux capables d’absorber la lumière à faible énergie et de la transformer en lumière à plus haute énergie. Le nouveau matériau est composé de nanoparticules de silicium ultra-petites et de molécules organiques étroitement liées à celles utilisées dans les téléviseurs OLED. Ce nouveau composite déplace efficacement les électrons entre ses composants organiques et inorganiques, avec des applications pour des panneaux solaires plus efficaces, une imagerie médicale plus précise et de meilleures lunettes de vision nocturne.
Le matériau est décrit dans un nouvel article publié aujourd’hui (12 juin) dans Nature Chemistry.
« Ce processus nous offre une toute nouvelle façon de concevoir des matériaux », a déclaré Sean Roberts, professeur agrégé de chimie à l’UT Austin. « Il nous permet de prendre deux substances extrêmement différentes, le silicium et les molécules organiques, et de les lier suffisamment fortement pour créer non pas un simple mélange, mais un matériau hybride entièrement nouveau dont les propriétés sont totalement distinctes de celles de chacun des deux composants ».
Les composites sont constitués de deux ou plusieurs composants qui, une fois combinés, adoptent des propriétés uniques. Par exemple, les composites de fibres de carbone et de résines sont utilisés comme matériaux légers pour les ailes d’avion, les voitures de course et de nombreux produits sportifs. Dans l’article co-écrit par Roberts, les composants inorganiques et organiques sont combinés pour montrer une interaction unique avec la lumière.
Parmi ces propriétés figure la capacité de transformer les photons de grande longueur d’onde – le type de lumière rouge, qui a tendance à bien traverser les tissus, le brouillard et les liquides – en photons bleus ou ultraviolets de courte longueur d’onde, qui sont le type de lumière qui fait généralement fonctionner les capteurs ou produit une large gamme de réactions chimiques. Cela signifie que le matériau pourrait s’avérer utile dans de nouvelles technologies aussi diverses que la bio-imagerie, l’impression 3D à base de lumière et les capteurs de lumière qui peuvent être utilisés pour aider les voitures auto-conduites à traverser le brouillard.
« Ce concept pourrait permettre de créer des systèmes capables de voir dans le proche infrarouge », a déclaré M. Roberts. « Cela peut être utile pour les véhicules autonomes, les capteurs et les systèmes de vision nocturne.
La transformation d’une lumière à faible énergie en une lumière à plus haute énergie peut également contribuer à accroître l’efficacité des cellules solaires en leur permettant de capter la lumière infrarouge proche qui les traverserait normalement. Lorsque la technologie sera optimisée, la capture de la lumière à faible énergie pourrait réduire la taille des panneaux solaires de 30 %.
Les membres de l’équipe de recherche, qui comprend des scientifiques de l’université de Californie Riverside, de l’université du Colorado Boulder et de l’université de l’Utah, travaillent sur ce type de conversion de la lumière depuis plusieurs années. Dans un article précédent, ils ont décrit la connexion réussie entre l’anthracène, une molécule organique capable d’émettre de la lumière bleue, et le silicium, un matériau utilisé dans les panneaux solaires et dans de nombreux semi-conducteurs. Cherchant à amplifier l’interaction entre ces matériaux, l’équipe a mis au point une nouvelle méthode pour créer des ponts électriquement conducteurs entre l’anthracène et les nanocristaux de silicium. La liaison chimique forte qui en résulte augmente la vitesse à laquelle les deux molécules peuvent échanger de l’énergie, doublant presque l’efficacité de la conversion d’une lumière de faible énergie en une lumière de plus grande énergie, par rapport à la percée précédente de l’équipe.
Référence : « Efficient photon upconversion enabled by strong coupling between silicon quantum dots and anthracene » 12 juin 2023, Nature Chemistry.
DOI: 10.1038/s41557-023-01225-x
Kefu Wang et Ming Lee Tang de l’Université de l’Utah, R. Peyton Cline et Joel D. Eaves de l’Université du Colorado Boulder, Joseph Schwan et Lorenzo Mangolini de l’Université de Californie Riverside et Jacob M. Strain de l’UT Austin ont également largement contribué à cette recherche.
Cette recherche a été financée par la National Science Foundation, la Welch Foundation, la W.M. Keck Foundation et l’Air Force Office of Scientific Research.