Prix Nobel de chimie 2023 : quel intérêt pour les industries ?

En 2023, le Prix Nobel de chi­mie récom­pense la décou­verte et la syn­thèse des boîtes quan­tiques col­loï­dales. Trois scien­ti­fiques sont nobé­li­sés : Alek­sey Yeki­mov, Louis Brus et Moun­gi Bawendi.

Ce sont des nano­par­ti­cules – c’est-à-dire des par­ti­cules d’une taille de l’ordre de 10^-9 mètres, soit un mil­lio­nième de mil­li­mètre – de maté­riau semi-conduc­teur. Leur par­ti­cu­la­ri­té ? Leurs pro­prié­tés sont déter­mi­nées par leur taille. C’est com­plè­te­ment inha­bi­tuel : les pro­prié­tés des maté­riaux sont clas­si­que­ment indé­pen­dantes de leur taille. Mais il s’avère que lorsqu’on dimi­nue la taille à l’échelle du nano­mètre, il est pos­sible d’obtenir d’importantes varia­tions des pro­prié­tés élec­tro­niques. Cela s’appelle le phé­no­mène de confi­ne­ment quan­tique. Il faut com­prendre que cette pro­prié­té est abso­lu­ment fan­tas­tique. Avant leur décou­verte, la seule façon de faire varier les pro­prié­tés d’un maté­riau était d’en modi­fier la composition.

Elles sont essen­tiel­le­ment uti­li­sées en tant que sources de lumière. Lorsqu’elles sont expo­sées à la lumière, les boîtes quan­tiques passent dans un état exci­té. Elles reviennent ensuite à l’état fon­da­men­tal en émet­tant un pho­ton, une par­ti­cule élé­men­taire de la lumière. La cou­leur de ce pho­ton dépend for­te­ment de la taille de la boîte. Un pro­cé­dé mis au point par Phi­lippe Guyot-Sion­nest, ancien poly­tech­ni­cien, qui per­met de rendre ce pro­ces­sus de pho­to­lu­mi­nes­cence extrê­me­ment effi­cace, avec un ren­de­ment proche de 100 %.

Oui, on les trouve dans les télé­vi­seurs QLED. Des diodes bleues excitent les boîtes quan­tiques de l’écran pour géné­rer l’affichage du télé­vi­seur. Par rap­port aux tech­no­lo­gies clas­siques, la pure­té des cou­leurs est signi­fi­ca­ti­ve­ment amé­lio­rée. C’est la prin­ci­pale appli­ca­tion indus­trielle des boîtes quantiques.

D’autres pro­jets concernent des dis­po­si­tifs anti-contre­fa­çon. En inté­grant une marque à l’aide d’une boîte quan­tique sur l’objet à cer­ti­fier, il est ensuite pos­sible de véri­fier faci­le­ment sa pré­sence à l’aide d’une source lumi­neuse. L’avantage : ce dis­po­si­tif est dif­fi­cile à fabri­quer et faci­le­ment mani­pu­lable. Enfin, de nou­velles appli­ca­tions émergent dans le domaine de la détec­tion infra­rouge. En dépo­sant des boîtes quan­tiques (absor­bant la lumière infra­rouge) sur un cir­cuit de lec­ture de camé­ra clas­sique, on obtient une camé­ra infra­rouge. Cette tech­no­lo­gie aug­mente consi­dé­ra­ble­ment la sen­si­bi­li­té. Cette appli­ca­tion est encore à un stade de recherche, et plu­sieurs indus­triels, dont l’entreprise fran­çaise ST Microe­lec­tro­nics, déve­loppent ce genre de caméras.

Les bio­lo­gistes se sont assez rapi­de­ment pen­chés sur le sujet. Les boîtes quan­tiques sont uti­li­sées pour étu­dier des phé­no­mènes bio­lo­giques. Le prin­cipe ? On fixe une espèce bio­lo­gique (comme une toxine) sur une boîte quan­tique. Celle-ci est pla­cée dans un milieu de culture conte­nant des cel­lules. En éclai­rant l’échantillon, il est pos­sible de suivre la tra­jec­toire de la toxine grâce à la lumi­nes­cence de la boîte quan­tique. L’observation peut être effec­tuée pen­dant une longue durée, contrai­re­ment aux sys­tèmes d’observation pré­cé­dem­ment uti­li­sés. Maxime Dahan, un bio­phy­si­cien fran­çais, a ain­si obser­vé in vitro le phé­no­mène de trans­mis­sion d’informations au niveau des synapses. 

Les boîtes quan­tiques se démarquent d’autres maté­riaux par deux aspects. D’une part, il est pos­sible de modu­ler très pré­ci­sé­ment leurs pro­prié­tés d’absorption et d’émission en modi­fiant leur taille et leur com­po­si­tion chi­mique. C’est une pro­prié­té très inté­res­sante pour les appli­ca­tions de lumi­nes­cence comme les télé­vi­seurs : il suf­fit de chan­ger la taille des boîtes quan­tiques pour contrô­ler leur cou­leur d’émission. Elles peuvent cou­vrir une très large gamme de lon­gueurs d’onde, de 400 nano­mètres à quelques microns (lumière visible et infrarouge).

D’autre part, ce sont des maté­riaux inor­ga­niques : cela confère une sta­bi­li­té au signal. Le seul défaut consta­té est l’effet de « blin­king », un phé­no­mène de cli­gno­te­ment des boîtes quan­tiques. Mais il est désor­mais pos­sible de s’en affran­chir à l’aide de tech­niques de syn­thèse plus complexes.

La com­mer­cia­li­sa­tion des télé­vi­seurs QLED est la preuve qu’il est pos­sible d’industrialiser leur fabri­ca­tion. Leur syn­thèse n’est pas tri­viale. La dif­fi­cul­té : maî­tri­ser le calibre des par­ti­cules. Leur taille – à l’échelle nano­mé­trique – est prin­ci­pa­le­ment contrô­lée par la tem­pé­ra­ture lors de leur for­ma­tion. À l’échelle indus­trielle, il est donc néces­saire de main­te­nir une tem­pé­ra­ture par­fai­te­ment homo­gène dans des réac­teurs de grand volume.

Si nous en sommes à un stade indus­triel aujourd’hui, c’est grâce aux tra­vaux d’Aleksey Yeki­mov et Moun­gi Bawen­di, deux des trois réci­pien­daires du prix Nobel. La méthode qu’ils ont mise au point a révo­lu­tion­né la chi­mie des nano­cris­taux, elle est aujourd’hui uti­li­sée pour la syn­thèse de nom­breux autres maté­riaux comme l’oxyde de fer, le tungs­tène ou le titane.

Ces recherches ont com­men­cé au début des années 1980 par de pre­mières obser­va­tions expé­ri­men­tales. Alek­sey Yeki­mov obser­vait la varia­tion des pro­prié­tés spec­tro­mé­triques de verres colo­rés en fonc­tion du trai­te­ment ther­mique du maté­riau. Il est le pre­mier à avoir fait le lien entre la taille de petits pré­ci­pi­tés de semi-conduc­teurs qu’il obser­vait dans le verre, et ses pro­prié­tés. C’est un phé­no­mène mar­qué dans le verre, car il est visible à l’œil nu : en réa­li­sant un recuit ther­mique entre 250 °C et 400 °C, on observe un gra­dient de cou­leur du jaune (petits cris­taux de semi-conduc­teurs dans la matrice de verre), au rouge (gros cris­taux de semi-conduc­teurs). Louis Brus a été le pre­mier à expli­ci­ter les bases phy­siques expli­quant le phé­no­mène obser­vé dit de confi­ne­ment quan­tique, par Alek­sey Yekimov.

Moun­gi Bawen­di, un étu­diant de Louis Brus a, lui, mis au point une méthode de syn­thèse avan­cée. Il était, en effet, dif­fi­cile de contrô­ler fine­ment la dis­tri­bu­tion en taille des par­ti­cules de verre, et donc les pro­prié­tés du maté­riau. Moun­gi Bawen­di a eu l’idée de fabri­quer des cris­taux en sus­pen­sion col­loï­dale, c’est-à-dire dans un sol­vant. Il mélange pour cela dans un sol­vant des pré­cur­seurs (cad­mium et sélé­nium) qui conduisent à la for­ma­tion de cris­taux de sélé­niure de cad­mium. En réa­li­sant cette syn­thèse à haute tem­pé­ra­ture (250 à 300 °C), la nucléa­tion et la crois­sance des cris­taux sont très bien contrô­lées. C’est la clé pour contrô­ler la taille et la dis­tri­bu­tion des par­ti­cules, et donc leurs pro­prié­tés. Ses tra­vaux ont révo­lu­tion­né le domaine de la fabri­ca­tion des cris­taux grâce à la chi­mie des colloïdes.

Le domaine reste très actif. Les chi­mistes conti­nuent d’améliorer les maté­riaux et à pro­po­ser de nou­velles stra­té­gies pour l’émergence de pro­prié­tés inté­res­santes : appli­ca­tions en cata­lyse, en pho­to­ca­ta­lyse pour la pho­to­syn­thèse arti­fi­cielle, assem­blage de nano­cris­taux pour for­mer des supra-cris­taux aux pro­prié­tés col­lec­tives nou­velles, etc. Des équipes de recherche tra­vaillent éga­le­ment sur la forme des boîtes quan­tiques, en fabri­cant des bâton­nets plu­tôt que des sphères. Cela pour­rait ouvrir la voie à de nou­velles appli­ca­tions en bio­lo­gie pour mieux carac­té­ri­ser les écou­le­ments des fluides comme le sang. Les phy­si­ciens, eux, s’emparent de ces objets pour leurs pro­prié­tés d’émission de lumière ultra-pure : des recherches se penchent sur l’utilisation des boîtes quan­tiques dans l’ordinateur quan­tique ou pour la cryp­to­gra­phie quan­tique. De plus, grâce à leur grande flexi­bi­li­té et leur robus­tesse, ces boîtes quan­tiques pour­raient deve­nir des briques de base pour la nanotechnologie. 

Propos recueillis par Anaïs Marechal