Un nouveau matériau solide convertit la lumière du soleil en lumière UV de haute énergie
Des chercheurs de l’Université de Kyushu ont développé un matériau moléculaire solide capable de transformer la lumière visible du soleil en lumière ultraviolette (UV) dans des conditions extérieures normales. Ce matériau atteint une efficacité de conversion photo-upconversion de 1,9 %, selon une étude publiée le 23 juin dans Nature Communications.
Importance de la lumière UV
Bien que la lumière UV soit souvent associée aux coups de soleil et aux dommages cutanés, elle joue un rôle crucial dans de nombreuses technologies. Elle est utilisée pour la purification de l’air, le durcissement de résines dans l’impression 3D, le durcissement de gels dans les soins dentaires et même dans des applications de traitements des ongles. Malgré son utilité, la lumière UV ne représente qu’environ 6 % de la lumière solaire atteignant la surface de la Terre.
Transformation de la lumière visible en lumière UV
Le processus repose sur un phénomène appelé annihilation triplet-triplet (TTA). Dans ce cadre, une molécule donneuse absorbe la lumière visible et entre dans un état triplet à haute énergie, transférant ensuite cette énergie à une molécule accepteur voisine. Lorsque deux états triplet se rencontrent, ils combinent leur énergie pour libérer un photon UV.
Historiquement, la TTA fonctionne efficacement dans les liquides, où les molécules peuvent interagir librement. Cependant, les systèmes liquides nécessitent souvent des solvants toxiques et peuvent s’évaporer, limitant leur praticité. Cela a conduit les chercheurs à rechercher une alternative solide fiable.
Une solution solide innovante
Le tournant a été apporté par un semi-conducteur organique appelé dihydroindenoindenedene (DHI). Les chercheurs ont modifié le DHI en ajoutant des chaînes alkyles à ses atomes de carbone sp³, créant ainsi un espacement contrôlé entre les molécules voisines. Cela a permis une efficacité de transfert d’énergie tout en évitant des interactions électroniques fortes qui pourraient nuire à la performance.
Le matériau résultant a montré une luminescence forte, des états excités de longue durée, et un rendement quantique de fluorescence solide supérieur à 60 %. Lorsqu’il est associé à une molécule donneuse, le système a atteint une efficacité de conversion de 1,9 %.
Applications potentielles de la lumière UV alimentée par le soleil
Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour ce matériau. En plus de ses performances, le matériau présente des avantages pratiques, étant relativement facile à synthétiser et fabriqué à partir de matériaux de départ peu coûteux. L’équipe estime qu’il pourrait être utilisé dans des systèmes de photocatalyse alimentés par le soleil, des systèmes de purification de l’air en intérieur et des technologies d’impression 3D à faible intensité.
Un parcours scientifique de 14 ans
Pour les chercheurs, cette réalisation représente plus qu’une avancée technique. En 2012, Nobuo Kimizuka, maintenant professeur émérite au Centre de recherche sur les technologies d’émissions négatives de l’Université de Kyushu, a commencé à explorer la conversion de photons par migration d’énergie triplet dans des systèmes moléculaires auto-assemblés. Au fil des ans, son groupe a progressé en utilisant des systèmes basés sur des solutions et des gels, mais la conversion efficace en phase solide est restée difficile à atteindre.
Un tournant majeur a eu lieu en mai 2024, moins d’un an avant la retraite de Kimizuka. Les mois suivants ont été marqués par un effort intensif pour finaliser le projet, réunissant des étudiants diplômés et des chercheurs pour consolider des années de recherche dans une publication finale. Ce travail représente l’aboutissement de plus de 14 ans de recherches sur la conversion de photons et l’auto-assemblage moléculaire.
Source : Nature Communications
