Une avancée dans le domaine énergétique : Des scientifiques ont élaboré un matériau capable de convertir la lumière du soleil ordinaire en lumière UV, ouvrant ainsi des perspectives nouvelles pour les technologies alimentées par l’énergie solaire.
Imaginez mélanger deux tasses d’eau chaude et espérer obtenir une tasse d’eau bouillante. Cela semble irréaliste dans la vie quotidienne, mais dans le monde quantique, un phénomène similaire peut se produire. Deux photons de faible énergie peuvent fusionner pour donner naissance à un seul **photon** d’une énergie bien plus élevée.
Les chercheurs de l’Université de Kyushu ont récemment mis au point un matériau à l’état solide capable de convertir la lumière visible en lumière ultraviolette (UV). Ce matériau a atteint une efficacité de conversion de **1,9 %** sous la lumière naturelle en extérieur. Leurs résultats ont été publiés dans la revue **Nature Communications** le 23 juin.
Transformation de la lumière solaire visible en lumière UV
Bien que la plupart d’entre nous souhaitent éviter l’exposition aux UV durant l’été, la lumière ultraviolette joue un rôle clé dans de nombreuses technologies. Elle est utilisée dans des domaines tels que la purification de l’air, le durcissement des résines en impression 3D et le solidification des gels dans les soins dentaires et les produits pour les ongles. Toutefois, la lumière UV ne représente qu’environ **6 %** de la lumière du soleil qui atteint la surface terrestre, et seule une partie de celle-ci est utile pour des applications pratiques.
« Ce que nous réalisons ici, c’est ‘additionner’ l’énergie de deux photons de lumière visible pour créer un photon ultraviolet. Ce processus fascinant se nomme **photo-upconversion** », explique **Yoichi Sasaki**, professeur associé à la faculté d’ingénierie de l’Université de Kyushu et auteur principal de l’étude.
L’une des méthodes pour atteindre la photo-upconversion est appelée **annihilation triplet-triplet** (TTA). Dans ce cadre, une molécule donneuse absorbe la lumière visible et excite ses électrons, les élevant vers un état triplet de haute énergie. Cette énergie est ensuite transférée à une molécule accepteur à proximité. Lorsque deux états triplet se rencontrent, ils fusionnent leurs énergies, libérant un photon UV unique.
Ce mécanisme fonctionne particulièrement bien dans les liquides, où les molécules peuvent se déplacer librement, facilitant ainsi les rencontres des états triplet. Cependant, les systèmes liquides nécessitent souvent des solvants toxiques et peuvent s’évaporer, ce qui les rend moins pratiques pour des applications réelles. C’est pourquoi les chercheurs ont cherché pendant des années une alternative efficace à l’état solide.
Création d’un matériau solide plus performant
« Dans les solides, les molécules sont très densément empilées, et les **nuages d’électrons π**—zones à forte densité électronique—peuvent se chevaucher », précise Sasaki. « Dans ce cas, les états triplet se désintègrent généralement avant d’avoir la chance de se rencontrer. Les molécules doivent être suffisamment proches pour que l’énergie soit transférée, tout en étant suffisamment éloignées pour éviter un processus d’extinction appelé **quenching**. »
Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont utilisé un **semi-conducteur organique** appelé **dihydroindenoindenedene** (DHI). En ajoutant des chaînes alkyles aux atomes de carbone sp3 du DHI, qui possèdent quatre liaisons orientées dans des directions fixes en 3D, l’équipe a réussi à contrôler avec précision les espacements entre les molécules voisines. Cela a permis de maintenir une proximité suffisante pour le transfert d’énergie tout en évitant les interactions électroniques néfastes pour l’efficacité.
Ce nouveau matériau a généré une émission lumineuse intense, maintenu des états excités durables et permis un transfert d’énergie efficace. Il a aussi atteint un rendement quantique de fluorescence à l’état solide de plus de **60 %**. Couplé avec une molécule donneuse, il a permis d’atteindre une efficacité de photo-upconversion de 1,9 %.
« Cela signifie qu’environ deux photons UV sont produits pour chaque centaine de photons de lumière visible absorbés », ajoute Sasaki. « Cela peut sembler peu, mais cela fonctionne uniquement avec la lumière du soleil. La plupart des matériaux à l’état solide ne parviennent pas à obtenir ce rendement, même à des intensités lumineuses bien supérieures. »
Applications potentielles pour la lumière UV alimentée par soleil
L’équipe a déposé une demande de **brevet** pour ce nouveau matériau. En plus de ses performances, sa production est relativement simple et repose sur des matériaux de départ peu coûteux. Les chercheurs envisagent qu’il pourrait un jour être utilisé pour la **photocatalyse** alimentée par l’énergie solaire, la purification de l’air intérieur, ainsi que pour l’impression 3D à faible intensité.
Une percée scientifique après plus de dix ans d’efforts
Pour les chercheurs, ce projet représente bien plus qu’une simple avancée scientifique.
En 2012, **Nobuo Kimizuka**, désormais professeur émérite au Centre de recherche sur les technologies de réduction des émissions de l’Université de Kyushu, a débuté ses travaux pionniers sur la photo-upconversion à travers la migration d’énergie triplet dans des auto-assemblages. Son objectif était de développer des systèmes moléculaires où l’auto-assemblage remplit des fonctions utiles. Au fil des années, son équipe a réalisé des progrès significatifs avec des solutions et des gels, mais la création d’un système solide et efficace restait un défi à relever.
Ce défi a été surmonté en mai 2024, moins d’un an avant que Kimizuka ne prenne sa retraite.
Les étudiants diplômés **Naoyuki Harada**, **Hayato Shoyama** et **Nutnicha Boonmong**, avec l’**ancien professeur adjoint Kiichi Mizukami**, ont uni leurs efforts avec Sasaki pour réunir des années de recherche.
« Nous avons remis le projet à Kimizuka seulement 11 jours avant qu’il quitte le laboratoire, ce qui nous a semblé être un cadeau de départ sincère », observe Sasaki.
« Cette découverte est le fruit de plus de **14 ans** de recherche et constitue une étape majeure dans les domaines de la photo-upconversion et de l’auto-assemblage moléculaire », conclut Kimizuka.
Référence : “Systèmes π-électroniques stériquement protégés pour une photo-upconversion efficace à l’état solide” par Naoyuki Harada, Hayato Shoyama, Nutnicha Boonmong, Kiichi Mizukami, Yuya Watanabe, Pei Zhao, Masahiro Ehara, Yoichi Sasaki et Nobuo Kimizuka, 23 juin 2026, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-026-73898-0
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FAQ
Quelles sont les applications pratiques de ce nouveau matériau ?
Ce matériau pourrait être utilisé dans des domaines comme la photocatalyse, la purification de l’air, et même pour optimiser les systèmes d’impression 3D.
Quel est le principal avantage de cette conversion de lumière ?
Le fait de convertir la lumière visible en UV à l’aide de la lumière naturelle permet de bénéficier d’une source d’énergie renouvelable, réduisant ainsi la dépendance aux sources d’énergie non durables.
Quel est le mécanisme de conversion de la lumière dans ce matériau ?
Le matériau utilise le mécanisme d’annihilation triplet-triplet pour combiner des photons de lumière visible et produire des photons UV, augmentant ainsi l’énergie de la lumière captée.
Comment ce matériau se distingue-t-il des autres matériaux solides ?
Ce matériau est unique de par sa capacité à fonctionner à des intensités de lumière naturelle sans nécessiter d’intensités lumineuses très élevées, ce qui est souvent le cas pour d’autres matériaux.
Quels défis ce procédé pourrait-il aider à surmonter dans le futur ?
L’innovation pourrait aider à réduire les coûts de production d’appareils utilisant la lumière UV, rendant ainsi ces technologies plus accessibles et bénéfiques pour l’environnement.
