Un matériau nouvellement synthétisé combine des nanoparticules de silicium et des éléments organiques pour accélérer l’échange d’énergie et convertir la lumière à faible énergie en lumière à haute énergie, révolutionnant potentiellement l’énergie solaire et le traitement du cancer.
De minuscules « points » qui transforment la lumière ont le potentiel de conduire à de grandes avancées.
Un nouveau matériau, conçu dans la convergence rarement explorée de la chimie organique et inorganique, promet non seulement d’améliorer l’efficacité des panneaux solaires, mais pourrait également inaugurer la prochaine génération de traitements contre le cancer.
Décrit dans un article publié récemment dans Chimie naturelle, ce matériau composite est composé de minuscules nanoparticules de silicium et d’un composé organique présentant des similitudes étroites avec ceux utilisés dans les téléviseurs OLED. Ses propriétés incluent la capacité d’accélérer l’échange d’énergie entre deux molécules, ainsi que de transformer la lumière de faible énergie en lumière de plus haute énergie.
Seule une poignée de laboratoires dans le monde sont capables de fabriquer des nanoparticules de silicium avec les bonnes spécifications. L’un de ces laboratoires est dirigé par Lorenzo Mangolini, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l’UC Riverside, qui a aidé à inventer le processus de production.
« Le nouveau matériau améliore les tentatives précédentes que nous avons faites pour créer quelque chose qui échange efficacement l’énergie entre deux composants différents », a déclaré Mangolini. « Il existe de grandes opportunités d’utiliser cela pour une grande variété d’applications, mais l’une des plus importantes, du point de vue de la santé humaine, est peut-être le cancer. »
La lumière à haute énergie, comme la lumière laser ultraviolette, peut former des radicaux libres capables d’attaquer les tissus cancéreux. La lumière UV, cependant, ne se déplace pas assez loin dans les tissus pour générer des radicaux thérapeutiques à proximité du site de la tumeur. D’autre part, la lumière proche infrarouge pénètre profondément dans le corps mais n’a pas assez d’énergie pour générer les radicaux.
Avec le nouveau matériau, l’équipe de recherche a démontré qu’il est possible d’obtenir l’émission de lumière avec une énergie plus élevée que celle destinée au matériau, connue sous le nom de photon up-conversion. En plus d’être efficaces, les « points » de silicium qui forment la base de ce matériau à haute énergie ne sont pas toxiques.
Prendre de la lumière à faible énergie et la transformer en une forme à plus haute énergie pourrait être utilisé pour augmenter l’efficacité des cellules solaires en leur permettant de capter la lumière proche infrarouge qui les traverserait normalement. Une fois optimisée, la lumière basse consommation pourrait réduire la taille des panneaux solaires de 30 %.
«Ces cellules n’utilisent généralement pas de photons à faible énergie, mais en utilisant ce système, vous le pourriez. Nous pourrions rendre les baies beaucoup plus efficaces », a déclaré Mangolini.
Il existe une variété d’applications impliquant la lumière infrarouge qui pourraient être améliorées avec le nouveau matériau à base de points de silicium. Ils comprennent la bioimagerie, l’impression 3D basée sur la lumière et des capteurs de lumière qui aideraient les voitures autonomes à traverser le temps brumeux.
Cette recherche a été financée par la National Science Foundation et a été réalisée par une équipe basée à l’Université du Texas à Austin, à l’Université du Colorado à Boulder et à l’Université de l’Utah, ainsi qu’à l’UCR. Non seulement l’équipe de recherche est enthousiasmée par les applications potentielles, mais aussi par la possibilité de concevoir une nouvelle classe de matériaux composites comme celui-ci.
Les composites sont des matériaux qui se comportent différemment de leurs composants de base lorsqu’ils agissent seuls. Par exemple, les composites de fibres de carbone et de résines sont solides et légers et sont utilisés dans les ailes d’avion et de nombreux articles de sport.
« Nous savons maintenant comment prendre deux substances extrêmement différentes et les lier suffisamment pour créer non seulement un mélange, mais un matériau entièrement nouveau avec des propriétés distinctes », a déclaré Sean Roberts, professeur de chimie à l’Université du Texas à Austin et auteur de l’article correspondant. « C’est l’une des premières fois que cela a été réalisé. »
