Molécules en extase collective

Lorsque des molécules de colorant fluorescent s’imbriquent parfaitement les unes dans les autres, quelque chose de totalement nouveau est créé : un état excité réparti sur de nombreuses molécules. Ces « excitations collectives » peuvent être utilisées de nombreuses façons, par exemple pour les panneaux solaires organiques, les capteurs, la transmission ultra-rapide de données ou la microscopie. Les chercheurs de l’Empa, en collaboration avec des collègues de l’ETH Zurich, de l’EPFL, de l’Institut Paul Scherrer (PSI) et d’IBM Research Zurich, ont réussi à fabriquer de tels amplificateurs de lumière chimiques dix fois plus efficaces qu’auparavant.

« Ce que nous voyons ici, c’est un transfert d’énergie beaucoup plus rapide que dans n’importe quel semi-conducteur« , s’enthousiasme Jakob Heier. Le physicien travaille au département des polymères fonctionnels de l’Empa. La découverte qu’il a faite avec son équipe pourrait faire évoluer de nombreux domaines – comme la technologie des capteurs, la transmission optique des données ou la fabrication de cellules solaires organiques. Nous parlons d’îlots de molécules de colorant avec une structure interne parfaite. Chez les experts, ces structures sont appelées « agrégats J ». Bien qu’ils soient connus depuis plus de 80 ans, ils ont récemment attiré une attention particulière dans la recherche. Cela est dû à la vie intérieure électronique particulière de ces îles à colorants.

Pour comprendre ce que Jakob Heier et ses collègues ont découvert, une petite excursion dans le monde des colorants est utile : Pour qu’un colorant brille, la molécule doit d’abord être activée, également par la lumière. Les azurants optiques contenus dans les détergents, par exemple, absorbent la lumière UV et émettent une lumière bleutée (visible). C’est pourquoi les vêtements blancs brillent d’un bleu si vif sous la lumière UV d’une discothèque. La lumière émise a moins d’énergie que la lumière rayonnée, car une partie de l’énergie est convertie en vibrations, c’est-à-dire en chaleur, dans la molécule de colorant.

Les molécules comme antennes d’énergie

Les agrégats J étudiés par Jakob Heier et Surendra Anantharaman, doctorant à l’Empa, se comportent différemment des molécules de colorant individuelles. Dans ces îles moléculaires, les molécules de colorant sont bien triées, proches les unes des autres, comme des allumettes dans une boîte.

Dans cette constellation, la molécule de colorant ne « doit » pas briller, mais « peut » transmettre son énergie à une molécule voisine. Mais par rapport aux semi-conducteurs « classiques » en silicium, il existe une différence cruciale : dans un semi-conducteur en silicium, comme une cellule solaire, l’énergie d’excitation est transportée par des porteurs de charge, par exemple des électrons, qui « sautent » dans le matériau dans une certaine mesure. Dans les agrégats J, en revanche, les électrons n’oscillent que dans la molécule de colorant et ne la quittent jamais. Au lieu d’électrons entiers, ce ne sont donc que des oscillations qui sont transmises – comme les antennes d’émission et de réception du monde macroscopique. En fait, les agrégats J peuvent « transmettre » l’énergie à la plus petite échelle – extrêmement rapidement et à travers plusieurs centaines de molécules.
Des pertes élevées pendant 80 ans

Le phénomène des agrégats J et leur transmission particulière d’énergie a été découvert dès 1936 par Edwin E. Jelley aux États-Unis et Günter Scheibe en Allemagne. Mais jusqu’à présent, environ 95 % de l’énergie rayonnée était perdue et ne pouvait être transmise. Des « erreurs de construction » dans le système étaient à blâmer. En réalité, les molécules n’étaient pas si parfaitement alignées. Et chaque fois que l’impulsion énergétique rencontrait l’un de ces défauts au cours de son parcours dans l’agrégat J, le processus de transport était interrompu. Une vibration moléculaire ordinaire mettait fin au transfert, un peu de chaleur était alors générée, et le processus de transport d’énergie était terminé.

La parfaite forêt d’antennes

L’équipe de l’Empa, soutenue par des chercheurs de l’ETH Zurich, de l’EPF Lausanne, du PSI et d’IBM Research Zurich, a maintenant réussi à développer un système de colorants dans lequel jusqu’à 60% de la lumière émise est également réémise sous forme de lumière. Cela signifie également que jusqu’à 60 % de l’énergie peut être transmise sans perte – par rapport aux 5 % possibles auparavant, c’est une sensation. La clé du succès était des îlots de colorant parfaitement construits, créés dans une fine émulsion d’eau et d’hexylamine. Une émulsion est un mélange de gouttelettes de liquide dans un autre liquide – le lait ou la mayonnaise sont des émulsions que tout le monde connaît.

Les chercheurs de l’Empa ont observé que pas toutes les émulsion ne fonctionnait : il devait s’agir d’une émulsion dite bicontinue, c’est-à-dire que les gouttes en suspension dans le liquide extérieur ne devaient pas être éloignées les unes des autres, mais devaient s’être combinées pour former des formations striées. Ce n’est qu’alors que le colorant examiné forme les agrégats J sans défaut souhaités et peut « envoyer » l’énergie absorbée sur de longues distances sans perte. C’est ainsi que les molécules de colorant s’alignent dans une émulsion bicontinue – comme des allumettes dans une boîte. Ce n’est qu’alors que la transmission du signal réussit.

Les échecs font partie du jeu

L’étude qui vient d’être publiée mentionne également – dans la bonne tradition scientifique – les tentatives ratées et l’histoire de l’expérience réussie. En effet, les chimistes et les physiciens du monde entier doivent pouvoir profiter de l’expérience des chercheurs de l’Empa. Par exemple, il n’a pas été possible de cristalliser le colorant sous forme de films minces sur une surface solide. Trop de défauts dans les cristaux ont ruiné le transfert. Les solutions aqueuses, dans lesquelles le colorant est concentré en minuscules gouttelettes, ne fonctionnent pas non plus. Seules les émulsions bicontinues permettent la transmission du signal – et seulement s’il reste des molécules de colorant individuelles en phase liquide qui peuvent remplir les trous et combler les lacunes des agrégats J – c’est-à-dire « réparer » les défauts.

Quelles applications sont envisageables ?

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 de signaux par des colorants pourrait alors pénétrer dans de nombreux domaines de la vie quotidienne. Par exemple, il est possible de capter une faible lumière infrarouge à l’aide de ces colorants et de la convertir en signaux numériques à l’aide de points quantiques – un avantage pour la technologie des capteurs ou pour les cellules solaires qui sont censées fournir de l’électricité même en cas de très faible lumière. En raison de leurs propriétés uniques, les agrégats J se prêtent également à des applications dans les ordinateurs quantiques et la transmission optique de données.

Enfin, les agrégats de colorants conducteurs de signaux pourraient être utiles pour le diagnostic dans les tissus vivants : La lumière infrarouge, ou rayonnement thermique, pénètre profondément dans les tissus humains sans endommager les cellules. Les agrégats J pourraient rendre ce rayonnement visible et le numériser. Cela pourrait grandement faciliter et améliorer l’imagerie microscopique à haute résolution dans les tissus vivants.

Auteur : RAINER KLOSE