Comment recycler la lumière à faible consommation d'énergie


Pour combiner efficacement deux photons de faible énergie en un photon de haute énergie, l’énergie doit pouvoir sauter librement, mais pas trop rapidement, entre les molécules orientées de manière aléatoire d’un solide. Cette découverte de l'Université de Kobe fournit une ligne directrice de conception indispensable pour développer des matériaux destinés à des cellules photovoltaïques, des écrans ou même des thérapies anticancéreuses plus efficaces.

La lumière de différentes couleurs a des énergies différentes et est donc utile pour des choses très différentes. Pour le développement de cellules photovoltaïques, d'écrans OLED ou de thérapies anticancéreuses plus efficaces, il est souhaitable de pouvoir recycler deux photons de faible énergie en un photon de haute énergie, et de nombreux chercheurs du monde entier travaillent sur des matériaux permettant cette conversion ascendante. . Au cours de ce processus, la lumière est absorbée par le matériau et son énergie est transmise entre les molécules du matériau sous la forme d'un « exciton triple ». Cependant, on ne savait pas exactement ce qui permet à deux excitons triplet de combiner efficacement leurs énergies dans un état excité différent d'une seule molécule qui émet ensuite un photon de haute énergie, et ce manque de connaissances a constitué un sérieux goulot d'étranglement dans le développement de tels matériaux.

KOBORI Yasuhiro, photoscientifique de l'Université de Kobe, et son groupe de recherche ont travaillé sur une propriété appelée « états de spin électronique » des états excités en mouvement et en interaction. Ils ont réalisé que leur expertise était exactement ce qu'il fallait pour résoudre le problème de la conversion ascendante et l'ont appliqué à un matériau particulièrement adapté à leur analyse. Kobori explique : « Dans les systèmes en solution, il est difficile d'observer les propriétés magnétiques des spins électroniques en raison de la rotation rapide des molécules, et dans les systèmes conventionnels à l'état solide, l'efficacité de la réaction est trop faible pour les études de résonance de spin électronique. Le matériau à l'état solide en couche mince utilisé dans notre étude était cependant adapté pour observer les propriétés magnétiques des spins électroniques et générer des concentrations suffisantes d'excitons triplet.

Leurs résultats, maintenant publiés dans Le Journal des Lettres de Chimie Physique, montrent que pour le transfert d'énergies vers une molécule électroluminescente, les états de spin électronique de deux excitons triplets doivent être alignés, ce qui dépend de l'orientation relative des molécules participantes. Cependant, pour que cela se produise avec une forte probabilité, les excitons triplets doivent pouvoir se déplacer entre des molécules d’orientations différentes. De plus, ce saut ne doit pas être trop rapide, afin de laisser suffisamment de temps pour l’interconversion des différents états excités.

Le chercheur de l’université de Kobe énumère les étapes nécessaires pour arriver à cette conclusion. « Nous avons d'abord observé directement l'évolution temporelle de l'état du spin des électrons à l'intérieur des matériaux à conversion ascendante dans les systèmes à l'état solide, puis avons modélisé le mouvement de spin des électrons observé et enfin proposé un nouveau modèle théorique sur la manière dont l'état du spin des électrons est lié à l'état du spin des électrons. Processus de conversion. »

Ces résultats fournissent enfin des lignes directrices sur la façon de concevoir des matériaux de conversion ascendante de photons très efficaces, basés sur la connaissance du mécanisme microscopique du processus. Kobori explique pourquoi cela l'excitait. « Je m'attends à ce que ces connaissances contribuent au développement de cellules solaires à haut rendement pour atténuer nos problèmes énergétiques, mais également à un large éventail de domaines tels que la thérapie photodynamique du cancer et les diagnostics utilisant la lumière proche infrarouge pour la conversion optique. sans nuire au corps humain.

Ce travail a été soutenu par la Société japonaise pour la promotion de la science (subventions JP20H05832, JP21H05411, JP22K19008, JP20K21174 et JP22K14648), l'Agence japonaise pour la science et la technologie (subvention JPMJPR2101) et la Yukawa Memorial Foundation. Elle a été réalisée en collaboration avec un chercheur de l'Institut de technologie de Tokyo.

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