Un matériau nouvellement synthétisé combine des nanoparticules de silicium et des éléments organiques pour accélérer l’échange d’énergie et convertir la lumière de faible énergie en lumière de haute énergie, ce qui pourrait révolutionner l’énergie solaire et le traitement du cancer.
Les minuscules « points » qui transforment la lumière peuvent être à l’origine de progrès considérables.
Un nouveau matériau, issu de la convergence rarement explorée de la chimie organique et inorganique, promet non seulement d’améliorer l’efficacité des panneaux solaires, mais aussi d’ouvrir la voie à la prochaine génération de traitements contre le cancer.
Décrit dans un article publié récemment dans Nature Chemistry, ce matériau composite est composé de minuscules nanoparticules de silicium et d’un composé organique présentant de grandes similitudes avec ceux utilisés dans les téléviseurs OLED. Ses propriétés incluent la capacité d’accélérer l’échange d’énergie entre deux molécules, ainsi que de transformer la lumière de faible énergie en lumière d’énergie plus élevée.
Seule une poignée de laboratoires dans le monde est capable de fabriquer des nanoparticules de silicium avec les bonnes spécifications. L’un de ces laboratoires est dirigé par Lorenzo Mangolini, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l’UC Riverside, qui a contribué à l’invention du processus de production de ces nanoparticules.
« Le nouveau matériau améliore les tentatives précédentes que nous avons faites pour créer quelque chose qui échange efficacement l’énergie entre deux composants dissemblables », a déclaré Mangolini. « Il existe de grandes possibilités d’utilisation pour une grande variété d’applications, mais l’une des plus importantes, du point de vue de la santé humaine, est sans doute la lutte contre le cancer.
La lumière à haute énergie, telle que la lumière laser ultraviolette, peut former des radicaux libres capables d’attaquer les tissus cancéreux. Cependant, la lumière UV ne pénètre pas suffisamment loin dans les tissus pour générer des radicaux thérapeutiques à proximité du site de la tumeur. D’autre part, la lumière infrarouge proche pénètre profondément dans le corps mais n’a pas assez d’énergie pour générer des radicaux.
Avec le nouveau matériau, l’équipe de recherche a démontré qu’il est possible d’obtenir l’émission de lumière avec une énergie plus élevée que celle visée par le matériau, ce que l’on appelle la conversion ascendante de photons. En plus d’être efficaces, les « points » de silicium qui forment la base de ce matériau à haute énergie ne sont pas toxiques.
La transformation d’une lumière de faible énergie en une forme plus énergétique pourrait être utilisée pour accroître l’efficacité des cellules solaires en leur permettant de capter la lumière proche de l’infrarouge qui les traverserait normalement. Une fois optimisée, la lumière à faible énergie pourrait réduire la taille des panneaux solaires de 30 %.
« Ces cellules n’utilisent généralement pas de photons à faible énergie, mais ce système le permet. Nous pourrions rendre les réseaux beaucoup plus efficaces », a déclaré M. Mangolini.
Le nouveau matériau à base de points de silicium pourrait permettre d’améliorer un grand nombre d’applications faisant appel à la lumière infrarouge. Il s’agit notamment de la bio-imagerie, de l’impression 3D à base de lumière et des capteurs de lumière qui aideraient les voitures auto-conduites à traverser le brouillard.
Cette recherche a été financée par la National Science Foundation et a été réalisée par une équipe basée à l’université du Texas, à Austin, à l’université du Colorado, à Boulder, à l’université de l’Utah, ainsi qu’à l’UCR. L’équipe de recherche se réjouit non seulement des applications potentielles, mais aussi de la possibilité de concevoir une nouvelle classe de matériaux composites comme celui-ci.
Les matériaux composites sont des matériaux qui se comportent différemment de leurs composants de base lorsqu’ils agissent seuls. Par exemple, les matériaux composites constitués de fibres de carbone et de résines sont solides et légers et sont utilisés dans la fabrication des ailes d’avion et de nombreux articles de sport.
« Nous savons désormais comment prendre deux substances extrêmement différentes et les lier suffisamment fortement pour créer non pas un simple mélange, mais un matériau entièrement nouveau aux propriétés distinctes », a déclaré Sean Roberts, professeur de chimie à l’université du Texas à Austin et auteur correspondant de l’article. « C’est l’une des premières fois que l’on y parvient.
Référence : « Efficient photon upconversion enabled by strong coupling between silicon quantum dots and anthracene » par Kefu Wang, R. Peyton Cline, Joseph Schwan, Jacob M. Strain, Sean T. Roberts, Lorenzo Mangolini, Joel D. Eaves et Ming Lee Tang, 12 juin 2023, Nature Chemistry.
DOI: 10.1038/s41557-023-01225-x