Le prix Nobel rend hommage aux inventeurs des nanoparticules « points quantiques » | Magazine Quanta

Imaginez un nanocristal si minuscule qu’il se comporte comme un atome. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus et de Alexeï I. Ekimov ont reçu le prix Nobel de chimie 2023 pour avoir découvert une catégorie de ces petites merveilles, désormais connues sous le nom de points quantiques, et pour avoir développé une méthode précise pour les synthétiser. Les points quantiques jouent déjà un rôle important dans l'électronique et la biomédecine, notamment dans l'administration de médicaments, l'imagerie et les diagnostics médicaux, et ont des applications plus prometteuses à l'avenir, a déclaré le Comité Nobel de chimie lors de l'annonce du prix.

Les points quantiques, parfois appelés atomes artificiels, sont des nanocristaux précis constitués de silicium et d'autres matériaux semi-conducteurs qui ne mesurent que quelques nanomètres de large, suffisamment petits pour présenter des propriétés quantiques comme le font les atomes individuels, bien qu'ils aient une taille de quelques centaines à quelques milliers d'atomes. . Étant donné que les électrons peuvent être piégés à certains niveaux d’énergie, les nanocristaux ne peuvent émettre que certaines longueurs d’onde de lumière. En contrôlant la taille des particules, les chercheurs peuvent programmer précisément la couleur des points quantiques qui clignoteront lorsqu’ils seront stimulés.

Sur scène lors de l'annonce du prix Nobel ce matin, Johan Aqvist, président du Comité Nobel de chimie, a présenté une série de cinq flacons, chacun contenant un liquide brillant d'une couleur différente. Les fluides contenaient des solutions liquides de points quantiques de seulement quelques millionièmes de millimètre. À cette petite taille, « la mécanique quantique commence à jouer toutes sortes de tours », a déclaré Åqvist.

La mécanique quantique prédit que si vous prenez un électron et que vous le pressez dans un petit espace, la fonction d'onde de l'électron est compressée, explique-t-il. Heiner Linke, membre du comité Nobel de chimie et professeur de nanophysique. Plus l’espace est petit, plus l’énergie de l’électron est grande, ce qui signifie qu’il peut donner plus d’énergie à un photon. Essentiellement, la taille d’un point quantique détermine la couleur dont il brille. Les plus petites particules brillent en bleu, tandis que les plus grosses brillent en jaune et en rouge.

Dans les années 1970, les physiciens savaient que les phénomènes quantiques devaient en théorie être associés à des particules de taille extrêmement petite, tout comme ils l'étaient aux films ultraminces, mais cette prédiction semblait impossible à vérifier : il ne semblait y avoir aucun bon moyen de fabriquer et de manipuler des particules sauf à l'intérieur d'autres matériaux qui masqueraient leurs propriétés. Cependant, en 1981, à l’Institut d’État d’optique SI Vavilov en Union soviétique, Ekimov a changé la donne. En ajoutant des composés de cuivre et de chlore à un verre, il a découvert que la couleur du verre dépendait entièrement de la taille des particules ajoutées. Il a rapidement reconnu que les effets quantiques étaient l'explication probable.

En 1983, aux Bell Labs, Brus menait des expériences sur l'utilisation de la lumière pour piloter des réactions chimiques. Brus (maintenant à l'Université de Columbia) a remarqué que la taille des nanoparticules affectait également leurs propriétés optiques, même lorsqu'elles flottaient librement dans une solution liquide. "Cela a suscité beaucoup d'intérêt", a déclaré Linke.

L'utilité optoélectronique potentielle de ces particules n'a pas échappé aux technologues, qui ont suivi l'exemple de Mark Reed de l'Université de Yale en les qualifiant de points quantiques. Mais pendant la décennie suivante, les chercheurs ont eu du mal à contrôler avec précision la taille et la qualité de ces particules.

Cependant, en 1993, Bawendi a inventé une « méthode chimique ingénieuse » pour fabriquer des nanoparticules parfaites, a déclaré Åqvist. Il était capable de contrôler le moment exact où les cristaux se formaient, puis d’arrêter et de relancer la croissance de manière contrôlée. Sa découverte a rendu les points quantiques très utiles dans diverses applications.

Les applications de ces nanoparticules vont des écrans LED et des cellules solaires à l'imagerie en biochimie et en médecine. "Ces réalisations représentent une étape importante dans la nanotechnologie", a déclaré Åqvist.

Que sont les points quantiques ?

Ce sont des nanoparticules fabriquées par l’homme si petites que leurs propriétés sont régies par la mécanique quantique. Ces propriétés incluent l'émission de lumière : la longueur d'onde de la lumière qu'ils émettent dépend uniquement de la taille des particules. Les électrons des particules plus grosses ont moins d’énergie et émettent de la lumière rouge, tandis que les électrons des particules plus petites ont plus d’énergie et émettent de la lumière bleue.

Les chercheurs peuvent déterminer avec précision quelle couleur de lumière émergera des points quantiques simplement en régulant leur taille. Cela offre un énorme avantage par rapport à l’utilisation d’autres types de molécules fluorescentes, pour lesquelles un nouveau type de molécule est nécessaire pour chaque couleur distincte.

Cet avantage en matière de contrôlabilité ne se limite pas à la couleur des points quantiques. En ajustant la taille des nanoparticules, les chercheurs peuvent également ajuster leurs effets électriques, optiques et magnétiques, ainsi que leurs propriétés physiques comme leur point de fusion ou leur influence sur les réactions chimiques.

Comment le travail de Bawendi a-t-il rendu les points quantiques pratiques ?

En 1993, Bawendi et son équipe du Massachusetts Institute of Technology ont développé une méthode permettant de produire des points quantiques de manière plus précise et de meilleure qualité qu'auparavant. Ils ont trouvé un moyen de faire croître les nanocristaux en un instant en injectant leurs précurseurs chimiques dans un solvant extrêmement chaud. Les chercheurs ont ensuite immédiatement stoppé la croissance des cristaux en abaissant la température du solvant, créant ainsi des « graines » cristallines infinitésimales. En réchauffant lentement la solution, ils pourraient réguler la croissance ultérieure des nanocristaux. Leur méthode produisait des cristaux d’une taille souhaitée de manière reproductible et était adaptable à différents systèmes.

Où les points quantiques sont-ils utilisés ?

Si vous avez déjà regardé des programmes sur un téléviseur QLED, vous avez vu ces nanoparticules en jeu. Mais ils sont également utilisés dans l’imagerie et l’éclairage biomédicaux. Les chercheurs explorent encore d’autres applications pour ces nanoparticules dans l’informatique et les communications quantiques, l’électronique flexible, les capteurs, les cellules solaires efficaces et la catalyse pour les combustibles solaires.