Des chercheurs de l'ETH Zurich et de Lausanne ont rendu la génération et la transmission de lumière chimique, phosphorescente et non phosphorescente 10 fois plus efficaces

Lorsque les molécules d’un colorant fluorescent « s’imbriquent » parfaitement, quelque chose de complètement nouveau est généré : un état d’excitation, réparti sur de nombreuses molécules.
De telles excitations collectives peuvent être utilisées de diverses manières : par exemple pour des panneaux solaires organiques, dans des capteurs, pour une transmission de données ultra-rapide ou en microscopie.
En Suisse, des chercheurs de l'EMPA, en collaboration avec des collègues des écoles polytechniques fédérales de Zurich et de Lausanne, de l'Institut Paul Scherrer et d'IBM Research Zurich à Rüschlikon, ont réussi à rendre ces amplificateurs de lumière chimiques dix fois plus efficaces qu'auparavant.
"Ce que nous constatons dans ces cas, c'est un transfert d'énergie beaucoup plus rapide que dans n'importe quel semi-conducteur", s'enthousiasme Jakob Heier.
Le physicien travaille au cabinet des polymères fonctionnels des Laboratoires fédéraux de science et technologie des matériaux, et la découverte qu'il a faite avec son équipe pourrait faire sensation dans de nombreux domaines d'activité, comme la technologie des capteurs, la transmission optique de données ou la fabrication de matières organiques. cellules solaires.
Nous parlons d’îlots de molécules colorantes, avec une structure interne parfaite. Parmi les experts, ces structures sont appelées J-Aggregates. Bien qu’ils soient connus depuis plus de quatre-vingts ans, ils ont récemment suscité un regain d’intérêt de la part des chercheurs.
Cela est dû à la durée de vie électronique interne particulière de ces îlots de teinture. Pour comprendre les découvertes de Jakob Heier et de ses collègues, une petite excursion dans le monde des teintures est utile.
Pour qu’une substance colorante brille, la molécule doit d’abord être activée, y compris par la lumière. Les azurants optiques contenus dans les détergents, par exemple, absorbent la lumière UV et émettent une lumière bleuâtre (visible) – c’est pourquoi les vêtements blancs brillent si fort dans la lumière ultraviolette d’une boîte de nuit.
La lumière émise a une énergie inférieure à celle des photons utilisés pour activer le colorant, car une partie de l’énergie est convertie en vibrations, c’est-à-dire en chaleur, dans la molécule du colorant.

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Particules comme "antennes" pour la transmission de la force énergétique

Les agrégats J étudiés par le scientifique suisse Surendra Anantharaman, doctorant à l'EMPA, se comportent différemment des molécules colorantes individuelles.
Dans ces îlots moléculaires, les molécules de colorant sont bien ordonnées et très rapprochées, comme des allumettes dans une boîte. Dans cette constellation, la molécule de colorant n’est pas « obligée » de briller, mais « peut » transmettre son énergie à une molécule proche.
Par rapport aux semi-conducteurs classiques en silicium, il existe cependant une différence cruciale : dans un semi-conducteur en silicium, comme par exemple une cellule solaire, l'énergie d'excitation est transportée via des porteurs de charge, par exemple des électrons, qui « sautent » à travers le matériau pour ainsi parler.
Cependant, dans les agrégats J, les électrons oscillent uniquement dans la molécule de colorant et ne la quittent jamais. Au lieu d'électrons, seules des oscillations sont transmises, similaires à celles utilisées par les antennes d'émission et de réception dans le monde macroscopique.
En fait, les agrégats J peuvent « transmettre » de l’énergie à une échelle beaucoup plus petite, certes, mais extrêmement rapidement et à travers des centaines de molécules.

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De 1936 à aujourd'hui pertes élevées dues aux "erreurs de construction" du système

Le phénomène des agrégats J et leur transmission particulière d'énergie ont été découverts pour la première fois en 1936 par Edwin E. Jelley aux États-Unis et Günter Scheibe en Allemagne.
Mais jusqu’à présent, environ 95 pour cent de l’énergie rayonnée était perdue et ne pouvait pas être transmise. La faute en était aux « erreurs de construction » du système.
En réalité, les molécules n’étaient pas parfaitement alignées. Et chaque fois que l’impulsion d’énergie rencontrait l’un de ces défauts lors de son voyage à travers le J-Aggregate, le transport d’énergie était interrompu.
Une vibration moléculaire normale a terminé le transfert, un peu de chaleur a été générée et le jeu était terminé.

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Un colorant où 60% de la lumière entrante est réémise

L'équipe deEMPA, soutenu par des chercheurs duETH à Zurich, Dell 'EPF de Lausannedu PSI et dell 'Recherche IBM Zurich, a réussi à développer un système de teinture, dans lequel jusqu'à 60 % de lumière entrant est réédité.
Cela signifie également que jusqu'à 60% de l'énergie peut être transmis sans perte: par rapport à cinq pour cent précédents, c'est une découverte importance sensationnelle.
La clé du succès sono état le îlots de teinture parfaitement construits, qui ont été créés à la fin émulsion d'eau et d'hexylamine.
A 'émulsion est un mélange de gouttelettes de liquide dans un autre liquide: Le lait ou la mayonnaise ce sont des émulsions que tout le monde connaît.
Les chercheurs de la Laboratoire fédéral suisse pour la science et la technologie des matériaux ils ont observé que pas n'importe quelle émulsion ça ferait l'affaire.
Ce devait être un soi-disant émulsion bicontinue, ce qui signifie que le gouttelettes en suspension à liquide externe ils n'ont pas à être éloigné l'un de l'autre, mais ils doivent avoir combiner pour former structures semblables à bandes.
Seulement à ce moment-là la teinture en question former le désiré Agrégats J sans défaut et ça peut "envoyer" l'énergie absorbée su longues distances sans pertes. C'est ainsi que le molécules de colorant ils s'alignent dans unémulsion bicontinue, semblable aux allumettes dans une boîte.
Ce n'est qu'alors que la transmission du signal est réussie.

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Avant les émulsions bicontinues, les échecs étaient la règle

L'étude qui vient d'être publiée mentionne également, dans la bonne tradition de la recherche scientifique, les tentatives infructueuses et l'histoire de l'expérience réussie. Après tout, les chimistes et physiciens du monde entier devraient pouvoir bénéficier de l’expertise de l’équipe EMPA.
Par exemple, il n'était pas possible de cristalliser le colorant sous forme de films minces sur une surface solide. Trop de défauts dans les cristaux gâchaient souvent le transfert.
Les solutions aqueuses, dans lesquelles le colorant s'agglutine en minuscules gouttelettes, ne fonctionnent pas non plus. Seules les émulsions bicontinues conduisent à la transmission du signal, et seulement s'il reste des molécules de colorant individuelles dans la phase liquide qui peuvent combler les trous et combler les lacunes des J-Aggregates : en d'autres termes, « réparer » les défauts.

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Quelles applications sont concrètement envisageables : cellules et capteurs ?

Les chercheurs ont certainement encore un long chemin à parcourir avant que ce qu'ils ont réalisé dans une émulsion puisse être rendu techniquement utile. Mais la transmission du signal via les colorants pourrait pénétrer de nombreux domaines de la vie quotidienne.
Par exemple, il est possible de capturer une lumière infrarouge faible à l’aide de ces colorants et de la convertir en signaux numériques à l’aide de points quantiques – une aubaine pour la technologie des capteurs et des cellules solaires, qui devraient fournir de l’électricité même dans des conditions de lumière très vive et faible. .
En raison de leurs propriétés uniques, les J-Aggregates se prêtent également à des applications dans les ordinateurs quantiques et la transmission optique de données.
Enfin, les agrégats de colorants qui conduisent le signal pourraient devenir utiles dans le diagnostic des organismes vivants : la lumière infrarouge, ou rayonnement thermique, pénètre profondément dans les tissus humains sans endommager les cellules.
J Les granulats pourraient en effet rendre visible ce rayonnement et le numériser. Cela pourrait grandement faciliter et améliorer l’imagerie microscopique à haute résolution des tissus vivants et contribuer à la lutte contre les maladies.

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