Moungi Bawendi du MIT, aux côtés de Louis Brus et Alexei Ekimov, ont reçu le prix Nobel de chimie 2023 pour leurs travaux sur les points quantiques. Les méthodes innovantes de Bawendi ont étendu leurs applications des écrans à l’imagerie médicale, l’atmosphère collaborative du MIT jouant un rôle clé dans son succès. Crédit : Len Rubenstein
Pour ses travaux sur les techniques permettant de générer des points quantiques de taille et de couleur uniformes, Bawendi est honoré aux côtés de Louis Brus et Alexei Ekimov.
Moungi Bawendi, professeur Lester Wolfe de chimie à MIT et leader dans le développement de minuscules particules appelées points quantiques, a remporté le prix Nobel de chimie 2023. Il partagera le prix avec Louis Brus de Université de Colombie et Alexei Ekimov de Nanocristaux Technology, Inc.
Les chercheurs ont été honorés pour leurs travaux de découverte et de synthèse de points quantiques, de minuscules particules de matière qui émettent une lumière exceptionnellement pure. Dans son annonce du 4 octobre, la Fondation Nobel a cité Bawendi pour ses travaux qui « ont révolutionné la production chimique de points quantiques, aboutissant à des particules presque parfaites ».
Bawendi, professeur au MIT depuis 1990, a déclaré Actualités du MIT peu après l’annonce, il a ressenti « une surprise et un choc » en recevant l’appel du comité Nobel, ajoutant : « C’était un tel honneur de se réveiller ».
Moungi Bawendi à son domicile, peu après avoir reçu la nouvelle de son prix Nobel. Crédit : Jodi Hilton
Comprendre les points quantiques
Les points quantiques sont constitués de minuscules particules de matériau semi-conducteur si petites que leurs propriétés diffèrent de celles du matériau massif. Au lieu de cela, ils sont régis en partie par les lois de la mécanique quantique qui décrivent le comportement des atomes et des particules subatomiques. Lorsqu’ils sont éclairés par une lumière ultraviolette, les points émettent une fluorescence brillante dans une gamme de couleurs déterminée par la taille des particules.
Ces minuscules particules sont désormais utilisées dans de nombreux types d’imagerie biomédicale, ainsi que dans les écrans d’ordinateurs et de télévision, et elles présentent également un potentiel dans des domaines tels que la photocatalyse et l’informatique quantique.
« Il est difficile d’imaginer une expression plus élégante de l’esprit et de la main », a écrit la présidente du MIT, Sally Kornbluth, à propos du travail de Bawendi, dans une lettre adressée à la communauté du MIT le matin de la victoire, en référence à la devise du MIT, « Mens et Manus ». » « Nous nous joignons à la famille de Moungi, à son département et à ses amis et collègues du monde entier pour célébrer cet honneur rare. »
Le voyage des points quantiques
Les points quantiques sont des particules de seulement quelques nanomètres de diamètre, soit environ un millionième de la taille d’une tête d’épingle. Depuis les années 1930, les scientifiques prédisaient que des particules aussi petites présenteraient un comportement inhabituel, car à des échelles aussi petites, il y a moins d’espace pour les électrons d’un matériau, de sorte qu’ils se retrouvent serrés les uns contre les autres. En conséquence, on pensait que la taille des particules influencerait les propriétés physiques telles que la couleur.
Cependant, cette hypothèse était difficile à tester car il n’existait aucun moyen de produire des particules aussi minuscules – jusqu’au début des années 1980, lorsqu’Ekimov et Brus ont réussi indépendamment à créer des points quantiques. En travaillant avec des points quantiques flottant librement dans une solution, Brus a démontré que la taille des particules affectait la couleur qu’elles émettaient. Ekimov a découvert le même phénomène en travaillant avec des nanoparticules de verre teintées avec du chlorure de cuivre.
Les techniques utilisées par Ekimov et Brus n’ont cependant pas permis d’obtenir des points quantiques de taille uniforme. En 1993, Bawendi et ses étudiants ont été les premiers à proposer une méthode permettant de synthétiser des points quantiques tout en maintenant un contrôle précis sur leur taille.
Moungi Bawendi est professeur Lester Wolfe de chimie au MIT. Crédit : Jodi Hilton
En faisant varier systématiquement les conditions dans lesquelles les points quantiques étaient cristallisés, Bawendi et son groupe de recherche ont réussi à faire croître des nanocristaux d’une taille spécifique. À l’époque, les chercheurs souhaitaient créer des points quantiques afin de pouvoir étudier plus en profondeur leurs propriétés uniques, sans aucune idée de leur utilité ultérieure.
« Nous avons juste poussé et poussé, et nous avons finalement développé un processus pour fabriquer des particules suffisamment bonnes pour des études scientifiques fondamentales, et il s’est avéré que le processus pouvait être utilisé pour bien plus que cela, ce que nous n’aurions jamais pensé à l’époque », Bawendi dit Actualités du MIT.
Depuis lors, il a également imaginé des moyens de contrôler l’efficacité de l’émission lumineuse des points et d’éliminer leur tendance à clignoter, ce qui les rend plus pratiques pour des applications dans de nombreux domaines.
Applications et innovations
Les points quantiques sont désormais utilisés dans les téléviseurs à écran plat et autres écrans, où ils génèrent des images plus vives que les écrans LED traditionnels. Ils sont également utilisés pour marquer des molécules à l’intérieur des cellules, permettant ainsi de les visualiser plus facilement, et ils ont été explorés comme outil pour guider les médecins pendant une intervention chirurgicale en éclairant les tissus.
« C’est vraiment formidable de voir comment ils ont été utilisés dans autant de domaines, mais ce n’est pas quelque chose auquel nous nous attendions à l’époque », déclare Bawendi, qui est également un membre principal des Microsystems Technology Laboratories du MIT. « Nous voulions simplement étudier les matériaux. »
Moungi Bawendi et son épouse, Rachel Zimmerman, chez eux peu après avoir reçu la nouvelle de l’attribution du prix Nobel. Crédit : Jodi Hilton
Présentant Bawendi lors d’une conférence de presse du MIT le matin de la victoire, Kornbluth a décrit son prix Nobel comme « une journée marquante » pour l’Institut.
« Nous ne pouvons rien imaginer de plus électrisant », a déclaré Kornbluth. « Évidemment, cet enthousiasme reflète notre respect pour cet honneur extraordinaire, mais il est plus profond car il serait difficile de trouver une communauté avec un plus grand respect pour la beauté merveilleuse de la science fondamentale et l’incroyable pouvoir de l’innovation pour améliorer notre monde que les gens du MIT. J’espère que ce prix et tous les prix Nobel scientifiques de cette semaine pourront servir à rappeler à la nation et au monde pourquoi la science fondamentale mérite notre soutien soutenu et enthousiaste.
Contexte et vision future de Bawendi
Né à Paris d’une mère française et d’un père tunisien, Bawendi a déménagé à West Lafayette, Indiana, quand son père, mathématicien, est devenu professeur à l’Université Purdue. En 1982, il a obtenu son diplôme de premier cycle à l’Université Harvard, où, en première année, il a échoué à son premier examen de chimie. Cette expérience lui a donné une précieuse leçon de persévérance, qu’il a décrite lors de la conférence de presse d’aujourd’hui.
« Vous avez un revers, mais vous pouvez persévérer, le surmonter et apprendre de votre expérience, ce que j’ai évidemment fait », a-t-il déclaré. « Et j’aurais pu décider que ce n’était pas pour moi, mais j’aimais ce que je faisais et j’ai donc appris comment réussir en tant qu’étudiant. »
Bawendi a ensuite obtenu un doctorat du Université de Chicago en 1988. En tant que postdoctorant, il a travaillé avec Brus, qui travaillait alors aux laboratoires AT&T Bell et avait récemment fait sa découverte originale concernant les propriétés des points quantiques de différentes tailles.
« C’est ce qui m’a donné envie de travailler avec lui, car cela a ouvert un tout nouveau domaine scientifique, ce qui crée de nombreuses opportunités de faire de nouvelles découvertes », a déclaré Bawendi. Actualités du MIT.
Les scientifiques explorent désormais la possibilité d’utiliser les points quantiques pour améliorer les performances de nombreuses autres technologies, notamment les cellules solaires, l’électronique flexible et les photocatalyseurs. Ces dernières années, le laboratoire de Bawendi a également développé des spectromètres basés sur des points quantiques, suffisamment petits pour tenir dans l’appareil photo d’un smartphone. De tels appareils pourraient être utilisés pour diagnostiquer des maladies, notamment des affections cutanées, ou pour détecter des polluants environnementaux.
Lorsqu’on lui a demandé lors de la conférence de presse ce que l’avenir pourrait réserver à la recherche sur les points quantiques, Bawendi a déclaré qu’il s’attendait à être surpris.
« C’est une très bonne question car je suis constamment surpris lorsque je vais à des conférences sur les progrès et les orientations du domaine », a-t-il déclaré. « Je pense qu’il y a 30 ans, aucun d’entre nous qui avons débuté dans ce domaine n’aurait pu prédire 30 ans plus tard que nous serions là où nous en sommes aujourd’hui. Et c’est tout simplement incroyable pour moi, si vous avez des gens vraiment formidables qui travaillent dans un tout nouveau domaine avec des matériaux tout nouveaux, l’innovation prend des directions que vous ne pouvez pas prédire.
Être au MIT, axé sur la recherche interdisciplinaire, a été un facteur essentiel de sa réussite, a déclaré Bawendi. Actualités du MIT.
« L’atmosphère au MIT est vraiment ce qui m’a permis d’explorer d’autres domaines scientifiques, ce qui a été la clé des progrès que j’ai pu réaliser », dit-il. « C’est un endroit unique et c’est merveilleux d’en faire partie. »
