Des scientifiques japonais convertissent la lumière solaire en rayonnement ultraviolet

Des scientifiques japonais ont mis au point un nouveau matériau solide capable de convertir la lumière visible ordinaire en rayonnement ultraviolet (UV) à haute énergie. Développée par des chercheurs de l'Université de Kyushu, cette technologie élimine le besoin de solvants toxiques et représente une étape révolutionnaire dans le domaine de l'upconversion photonique. Cette découverte, publiée dans la revue Nature Communications, devrait trouver des applications futures allant de la purification de l'air aux technologies d'impression 3D. C'est ce qu'indique Ixbt.com dans son article.

Le rayonnement ultraviolet possède une énergie bien plus élevée que la lumière visible, ce qui est crucial pour le durcissement des résines polymères, la désinfection et divers processus photochimiques. Cependant, seulement 6 % de la lumière solaire atteignant la surface de la Terre est composée d'UV, et seule une petite fraction de celle-ci peut être utilisée en pratique. Par conséquent, la technologie de conversion artificielle de la lumière solaire ordinaire en rayons UV est devenue l'une des directions prioritaires de la science moderne.

Physique quantique et fusion de photons

La nouvelle technologie repose sur le phénomène d'upconversion photonique. Selon les lois de la physique quantique, plusieurs photons de basse énergie peuvent fusionner pour former un seul photon de haute énergie. Yoichi Sasaki, professeur associé à l'Université de Kyushu, explique que ce processus peut être comparé à la fusion de deux tasses d'eau tiède pour devenir une tasse d'eau bouillante. Les chercheurs ont utilisé un mécanisme moléculaire spécial pour réaliser ce processus complexe.

Le processus est basé sur un mécanisme appelé « annihilation triplet-triplet ». D'abord, une molécule absorbant la lumière passe à un état excité et transfère cette énergie à une molécule voisine. Lorsque deux de ces molécules excitées entrent en collision, leurs énergies fusionnent, libérant ainsi un photon ultraviolet. Alors qu'auparavant de tels systèmes ne fonctionnaient efficacement que dans les liquides, ce résultat a désormais été atteint dans des solides.

Abandon des solvants liquides

Auparavant, les systèmes d'upconversion photonique nécessitaient principalement des solvants liquides toxiques et volatils. Les tentatives de les transférer vers des matériaux solides avaient échoué : les molécules étant trop proches, l'énergie s'éteignait avant même que la collision ne puisse se produire. Les scientifiques japonais ont résolu ce problème à l'aide d'un semi-conducteur organique appelé dihydroindenoindène (DHI).

En attachant des chaînes alkyls spécifiques aux molécules de DHI, les chercheurs ont réussi à contrôler précisément la distance entre les molécules. Cela a assuré une proximité suffisante pour le transfert d'énergie sans permettre sa perte prématurée. Le matériau résultant a montré une efficacité de 1,9 %, ce qui signifie que deux photons UV sont générés pour cent photons de lumière absorbés.

Les auteurs de l'étude soulignent que ce taux est très élevé pour des matériaux solides fonctionnant sous la lumière solaire ordinaire. De nombreux systèmes existants ne parviennent pas à atteindre une telle efficacité, même sous une lumière artificielle intense. En raison de la structure chimique simple du nouveau matériau et de ses faibles coûts de production, une demande de brevet a déjà été déposée.

Cette découverte est l'aboutissement de 14 ans de carrière scientifique pour le professeur Nobuo Kimizuka. Le scientifique a pris sa retraite 11 jours après avoir terminé son article. Selon lui, cette technologie ouvrira une nouvelle ère pour l'amélioration de l'efficacité de l'énergie solaire et la mise en place de processus chimiques écologiques.