Explication : pourquoi les points quantiques ont-ils remporté le prix Nobel 2023 ?

Le prix Nobel de chimie de cette année a été décerné à trois scientifiques basés aux États-Unis : Moungi Bawendi du Massachusetts Institute of Technology, Louis Brus de l’Université de Columbia et Alexei Ekimov, qui était plus récemment scientifique en chef de la technologie des nanocristaux, après avoir travaillé au Vavilov State Optical Institut de Saint-Pétersbourg, Russie. Le prix a été décerné pour leur « découverte et synthèse de points quantiques » – mais que sont les points quantiques et pourquoi méritent-ils un prix Nobel ?

Qu’est-ce qu’un point quantique ?

Les points quantiques sont de minuscules cristaux de matériau semi-conducteur. Les cristaux sont si petits – quelques nanomètres de large seulement – ​​que leur taille physique confine les électrons dans le matériau au point de modifier leur comportement. Cela signifie que le quantum Des phénomènes déterminent les propriétés de ces minuscules cristaux, d’où le nom de points quantiques.

L’étendue du confinement dépend de la taille de la particule, donc changer la taille de la particule modifie ses propriétés de manière prévisible. Cet effet peut être utilisé pour régler la bande interdite du semi-conducteur afin que les points émettent différentes couleurs de lumière lorsqu’ils sont éclairés par une source à longueur d’onde unique : les points plus petits émettent de la lumière bleue, tandis que les plus grands émettent à l’extrémité rouge du spectre visible. Leurs points de fusion et leur capacité à transférer des électrons peuvent également être modifiés de cette manière.

Comme d’autres semi-conducteurs, les points quantiques ont tendance à être constitués de combinaisons de métaux de transition et d’éléments métalloïdes. Le séléniure de cadmium et le tellurure de cadmium font partie des matériaux les plus régulièrement utilisés.

Les points quantiques sont donc des nanoparticules ?

Oui. Mais toutes les nanoparticules ne sont pas des points quantiques. Seuls certains matériaux (tels que les semi-conducteurs) présenteront des effets de taille quantique dans leur structure électronique lorsqu’ils seront transformés en particules nanométriques.

Pourquoi ont-ils gagné un Nobel ?

D’un point de vue purement fondamental, les points quantiques sont des substances remarquables qui comblent le fossé entre la matière à l’échelle atomique et moléculaire et la matière en vrac. Et grâce à leurs propriétés optiques et électroniques hautement ajustables, les points quantiques ont trouvé des applications dans toute une gamme de technologies.

L’une de leurs utilisations les plus connues consiste à former la base des écrans de télévision QLED, dans lesquels des points de différentes tailles sont excités par la lumière bleue, puis émettent une lumière rouge et verte pure pour donner la sortie tricolore des pixels d’un écran de télévision. Mais ils sont également utilisés dans la biotechnologie, la catalyse, les capteurs, les cellules solaires et bien plus encore. En particulier, le comité Nobel a souligné l’utilisation de points quantiques dans les dispositifs médicaux utilisés pour cartographier les tissus biologiques, car la fluorescence des points est plus brillante et dure plus longtemps que celle d’autres marqueurs fluorescents tels que les fluorophores moléculaires. Cela signifie qu’ils peuvent aider à guider les chirurgiens lors de l’ablation de tumeurs, par exemple.

En 2021, les ventes mondiales de points quantiques s’élevaient à environ 4 milliards de dollars (3,3 milliards de livres sterling), un chiffre qui devrait doubler d’ici 2026.

D’un point de vue chimique, les points quantiques ont été étudiés pour toutes sortes d’applications différentes, de la conversion de la chaleur en électricité à la production d’encre d’imprimante 3D émettant de la lumière. Ce sont également des photocatalyseurs largement étudiés qui peuvent même, dans certains cas, catalyser des réactions de formation de liaisons carbone-carbone plus efficacement que les catalyseurs en métaux précieux.

Qu’ont fait les lauréats ?

Les chercheurs prédisaient depuis les années 1930 que des effets quantiques dépendants de la taille devraient être observés dans des particules de quelques nanomètres. Mais à l’époque, il n’existait aucun moyen de produire de manière contrôlée des matériaux à si petite échelle. Au cours du XXe siècle, les premières observations de cet effet ont été réalisées sur des couches minces et à la surface de matériaux massifs – la part du prix Nobel de physique décerné à Zhores Alferov et Herbert Kroemer en 2000 a récompensé leurs travaux sur ce type de semi-conducteurs. hétérostructures.

Au début des années 1980, Alexei Ekimov a identifié pour la première fois les effets de taille quantique dans les nanoparticules, alors qu’il travaillait à l’Institut d’optique d’État Vavilov de Saint-Pétersbourg. Il effectuait des expériences sur le dopage du verre avec du chlorure de cuivre. En faisant varier la température et la vitesse de formation du verre, l’équipe d’Ekimov a pu contrôler la taille des cristaux de chlorure de cuivre formés dans la matrice de verre. Au cours d’expériences aux rayons X sur ces matériaux, il a remarqué que la longueur d’onde des raies d’absorption du chlorure de cuivre variait en fonction de la taille des cristaux, ce qu’Ekimov attribuait aux effets de taille quantique.

Pendant ce temps, Louis Brus travaillait sur des systèmes colloïdaux où des matériaux semi-conducteurs étaient suspendus dans des liquides. En 1983, Brus a observé des effets de taille quantique dans ses expériences avec des particules de sulfure de cadmium, notant que les propriétés optiques du CdS colloïdal avaient changé du jour au lendemain parce que les cristaux s’étaient dissous puis précipités sous forme de cristaux environ trois fois plus gros. Les analyses spectroscopiques ont révélé des différences entre le comportement d’absorption des deux ensembles de cristaux, montrant l’influence des effets de taille quantique.

En 1993, Bawendi a développé un moyen de produire des cristaux de séléniure de cadmium avec un contrôle quasi parfait sur leur taille. La méthode consistait à injecter des précurseurs organométalliques dans un solvant chaud. Cette technique « d’injection à chaud » a permis à l’équipe de contrôler le point de nucléation du cristal, car la solution devient très rapidement sursaturée, ce qui produit des points quantiques de taille presque uniforme. Cette découverte a ouvert la porte à l’utilisation des points quantiques dans des applications réelles.

Et la fuite ?

Il y a souvent des controverses autour des prix Nobel, généralement autour de chercheurs qui, selon certains, n’ont pas été récompensés. Mais cette année, un sujet de discussion majeur concerne la fuite apparente des noms des gagnants quelques heures avant l’annonce officielle.

La sélection des lauréats des prix Nobel est généralement entourée de secret. Mais cette année, la chaîne suédoise SVT a indiqué avoir reçu un communiqué de presse de l’Académie royale des sciences de Suède nommant les gagnants plus de quatre heures avant l’annonce officielle. C’est la première fois que les lauréats du prix de chimie sont divulgués avant l’annonce du prix Nobel. Il semble que l’e-mail ait été envoyé par inadvertance et aura sans aucun doute causé des maux de tête à l’académie.