La télévision QLED présente dans de nombreux salons n’aurait pas existé sans Alexei Ekimov, Louis Brus et Moungi Bawendi. Cette année, ils recevront le prix Nobel de chimie pour la découverte et le développement des points quantiques. Ce sont des particules si petites que leur taille détermine leurs propriétés. Ils sont actuellement principalement utilisés pour manipuler la lumière : plus la nanoparticule est petite, plus la lumière est bleue. Dans les écrans QLED, ils offrent une reproduction des couleurs très intense. Ils sont également utilisés dans l’éclairage LED, dans les panneaux solaires et comme biomarqueurs.
C’est une bonne chose que les trois chercheurs travaillent dans des institutions américaines et qu’il faisait encore pratiquement nuit là-bas lorsque le Comité Nobel a officiellement annoncé qu’ils recevraient le prix. De ce côté-ci de l’océan, leurs noms circulaient depuis plusieurs heures, après que le communiqué annonçant cette annonce soit parvenu accidentellement aux médias suédois à sept heures et demie du matin.
« Très malheureux », a déclaré le secrétaire général de l’Académie royale des sciences de Suède, Hans Ellegren, à propos de la fuite des noms. Le secret strict jusqu’à la conférence de presse qui commence à midi moins le quart à Stockholm est une partie importante du cirque Nobel. Les fuites ne se sont jamais produites auparavant. « Nous ne savons pas pourquoi ce courriel a été envoyé, mais il n’a eu aucune influence sur l’attribution du prix. Ce processus prend beaucoup de temps.
Les points quantiques constituent l’une des découvertes les plus importantes dans le domaine de la nanotechnologie. Ils sont constitués de matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium ou le sulfure de cadmium. Les semi-conducteurs contiennent des bandes d’énergie entre lesquelles les électrons peuvent se déplacer. Lorsqu’un photon, une particule lumineuse, frappe le matériau semi-conducteur, un électron passe à une bande d’énergie supérieure. Lorsqu’un électron retombe dans la bande inférieure, un photon est libéré qui annule la différence d’énergie. La distance entre les deux bandes d’énergie, appelée bande interditedétermine la couleur de la lumière émise.
Le point crucial des points quantiques est leur taille bande interdite peut être influencé en rendant les nanoparticules plus grandes ou plus petites. Les points quantiques plus petits en ont un plus grand bande interdite, et émettent donc de la lumière bleue (lumière de courtes longueurs d’onde, qui contient beaucoup d’énergie). Les points quantiques plus grands ont des points plus petits bandes interdites et émettent ainsi des longueurs d’onde plus longues, ou lumière rouge. Il s’agit des « grands » et des « petits » au niveau nano, des cristaux d’un diamètre compris entre 2 et 10 nanomètres (soit entre cent et dizaines de milliers d’atomes, un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre).
Des théoriciens affirmaient déjà dans les années 1930 que cet effet quantique existait, mais il était encore difficile de le démontrer. Ekimov, qui travaillait initialement à Saint-Pétersbourg, fut l’un des premiers à démontrer cet effet sur le verre coloré. Le verre était coloré avec du chlorure de cuivre et la couleur variait en fonction de la durée et de la chaleur pendant laquelle il était chauffé. Il s’est avéré que cela était dû au fait que le chauffage influençait la formation cristalline du chlorure de cuivre. Ekimov a publié un article à ce sujet en 1981, mais en russe, de sorte que la recherche ne s’est pas immédiatement répandue dans le monde entier.
Cité dix millions de fois
Brus travaillait entre-temps aux Laboratoires Bell aux États-Unis, où il menait des recherches sur l’utilisation de l’énergie solaire pour provoquer des réactions chimiques de petites particules de sulfure de cadmium dans une solution. Il a remarqué que les propriétés optiques des particules changeaient après les avoir laissées pendant une journée et soupçonnait que les particules plus anciennes avaient formé de nouveaux cristaux plus gros. Il s’est également rendu compte que le changement de couleur était dû à un effet quantique lié à la taille. C’était en 1983.
Il est resté difficile de fabriquer les particules pendant dix ans, et il a été particulièrement difficile de contrôler le début de la croissance des cristaux. Bawendi, qui a travaillé comme postdoctorant sous Brus aux Laboratoires Bell, a réussi à les fabriquer de manière contrôlée en 1993, alors qu’il était déjà au MIT. Soudain, il était facile de contrôler exactement la taille des particules. Il a ainsi rendu possible la production à grande échelle de points quantiques.
« Nous nous attendions depuis longtemps à ce que le prix soit décerné à ce projet », a déclaré Andries Meijerink, professeur de chimie du solide à l’université d’Utrecht, en réponse à cette annonce. « Les nanosciences sont très populaires, tout est nano de nos jours. Mais une grande partie des nanosciences consistent à créer de grandes surfaces. C’est bien sûr intelligent, mais aussi assez trivial. C’est vraiment le summum de la nanoscience. Ici, ils contrôlent les propriétés physiques des particules en faisant varier les dimensions à l’échelle nanométrique.
« Je pense que Bawendi en particulier a été cité dix millions de fois. Et puis j’exagère un peu », explique Willem Vos, professeur de systèmes photoniques complexes à l’Université de Twente. « Grâce à lui, la synthèse des particules est vraiment devenue beaucoup plus facile. En conséquence, la recherche a explosé depuis la fin des années 1990. Peu de temps après, il a également fait irruption dans mon laboratoire.
Selon Vos et Meijerink, il s’agit d’une science fondamentale révolutionnaire qui a réellement conduit à quelque chose dans la société. Outre les écrans et l’éclairage, Vos mentionne également les applications en biologie comme l’un des domaines d’attention importants. Il fait référence aux points quantiques qui sont connectés à des protéines et peuvent visualiser des agents pathogènes ou des processus dans le corps. « Des matériaux organiques sont désormais souvent utilisés à cet effet, mais ils ne sont pas très stables. Les points quantiques sont plus robustes. Il faut bien les emballer, les matériaux ne sont pas si sains que ça. Vous préféreriez des points quantiques non toxiques, beaucoup de travail est actuellement en cours là-dessus.
Une version de cet article est également parue dans le journal du 5 octobre 2023.