Les excitons sont la raison pour laquelle nous voyons la lumière et la couleur. Crédit :Université de Melbourne
Dans un monde aux besoins énergétiques croissants, et un impératif mondial pour arrêter les émissions de carbone, une minuscule « quasiparticule » appelée exciton pourrait apporter la réponse à nos problèmes.
Les excitons se forment lorsque la lumière est absorbée par des molécules ou des cristaux. Mais ils peuvent aussi émettre de la lumière, après qu'ils aient été créés électriquement dans des choses comme les diodes électroluminescentes (DEL).
Même si nous commençons tout juste à comprendre leur potentiel, les excitons pourraient nous aider à exploiter l'énergie solaire plus efficacement, et réduire considérablement le coût énergétique et environnemental de l'éclairage.
Par nom et par nature, c'est vraiment passionnant.
Le Centre of Excellence in Exciton Science est un nouveau centre de recherche du Australian Research Council dirigé par l'Université de Melbourne, en partenariat avec d'autres universités et organisations de premier plan de toute l'Australie. L'équipe pluridisciplinaire de chimistes, mathématiciens, physiciens, les informaticiens et les ingénieurs se concentrent sur la manipulation de la façon dont l'énergie lumineuse est absorbée, transportés et transformés en matériaux moléculaires avancés. Et ils veulent que leur travail se traduise finalement dans la vie de tous les jours.
Les excitateurs ne sont pas nouveaux, ils sont autour de nous tout le temps. La raison pour laquelle nous voyons la lumière et la couleur, la raison pour laquelle nos téléviseurs et téléphones s'allument, et la raison pour laquelle les animaux comme les lucioles peuvent produire de la lumière, est à cause des excitons. Mais ce qui est nouveau, c'est que nous comprenons et pouvons maintenant manipuler les excitons au niveau moléculaire.
« Nous sommes intéressés par le contrôle et la récupération de l'énergie, " explique le directeur du centre, le professeur Paul Mulvaney. " Nous ne récoltons donc pas directement la lumière, mais nous récoltons les excitons au fur et à mesure qu'ils se forment."
Le professeur Ken Ghiggino est photochimiste et se concentre sur la caractérisation de la durée de vie des excitons.
"Les excitations ne durent pas très longtemps, " dit le professeur Ghiggino.
"Cela pourrait être des femtosecondes [un quadrillionième de seconde], jusqu'à des nanosecondes [un millième de millionième de seconde] - mais vous pouvez mesurer ce temps. Nous utilisons des impulsions lumineuses très courtes, et des « caméras » extrêmement rapides pour créer des graphiques à des échelles de temps femtosecondes. "
Les excitons se forment lorsque la lumière est absorbée par des molécules ou des cristaux.
Le professeur Ghiggino dit que chaque matériau a une signature exciton unique, qui se caractérise par la façon dont les électrons sont excités, combien de temps il faut pour que l'énergie soit libérée, et ce qui se passe après cela.
"Et maintenant, nous ne pouvons pas bien prédire leur comportement."
La course est lancée pour trouver de nouveaux matériaux avec le mélange parfait de propriétés d'excitons. De nouveaux matériaux synthétiques sont créés en laboratoire par des chercheurs tels que le Dr Wallace Wong de la School of Chemistry et le Bio21 Institute de l'Université de Melbourne, qui développe une haute efficacité, cellules solaires souples. Ceux-ci sont ensuite envoyés au professeur Ghiggino pour être caractérisés.
"Nous découvrons quelle sorte d'excitons se forment, combien de temps ils durent, et comment est-il lié à la structure du matériau, " dit le professeur Ghiggino.
"Ensuite, nous renvoyons ces informations au Dr Wong et il modifie la structure de la molécule en fonction de ce que nous avons trouvé, et nous repassons par ce cycle jusqu'à ce que nous obtenions les propriétés optimales."
Mais économisant de l'énergie, et argent, fait autant partie de l'équation que la récupération d'énergie.
"Nous voulons savoir comment mieux utiliser la lumière du soleil, " dit le professeur Paul Mulvaney.
Comment l'énergie est cachée dans les couleurs
« Nous voulons développer de nouveaux matériaux pour le photovoltaïque, pour faire baisser le prix de l'énergie solaire. Et nous voulons rechercher de nouvelles façons d'utiliser l'énergie solaire, en particulier les cellules solaires flexibles, nous avons donc plus de possibilités architecturales pour exploiter ces technologies, pas seulement le modèle de toit rigide."
La technologie pourrait également contribuer à réduire nos émissions.
De nouveaux matériaux pour le photovoltaïque pourraient faire baisser le coût de l'énergie solaire.
« Nous étudions également les possibilités des LED de nouvelle génération. Pour le moment, ils sont difficiles à fabriquer à l'échelle, la durabilité et la qualité dont nous avons besoin. Mais les LED sont la forme d'éclairage la plus efficace que nous connaissons et si nous pouvions convertir toutes les ampoules en Australie en LED, alors nous atteindrions probablement nos objectifs de réduction des émissions, " dit le professeur Mulvaney.
Des décennies en préparation
Pour son projet de baccalauréat spécialisé, Le professeur Mulvaney a travaillé sur les énergies renouvelables. Il essayait d'utiliser l'énergie solaire pour fabriquer de l'hydrogène comme carburant. Mais c'est devenu très clair, très rapidement, c'était un domaine qui ne pouvait pas être approfondi parce que notre compréhension des matériaux n'était tout simplement pas assez bonne.
Vingt ans plus tard, et le professeur Mulvaney estime que le moment est venu de relancer ce domaine de recherche, grâce aux avancées dans le domaine des nouveaux matériaux, en particulier les matériaux à l'échelle nanométrique.
« Il a fallu attendre que la science des matériaux rattrape son retard, " dit le professeur Mulvaney.
« Nous comprenons beaucoup mieux les matériaux qui forment les excitons maintenant, Nous voulons donc revenir en arrière et examiner ces gros problèmes tels que les énergies renouvelables et voir si toutes ces connaissances que nous avons accumulées au cours des 20 dernières années peuvent nous aider à faire des percées. »
Alors que le professeur Mulvaney a plein d'idées sur la façon dont nous pouvons exploiter les excitons, il espère que certains des plus jeunes membres de son équipe pourront proposer de nouvelles idées qui orienteront la science dans une toute nouvelle direction.
"De façon intéressante, environ 50 % des prix Nobel sont attribués au travail effectué par les scientifiques avant l'âge de 35 ans. Donc, si nous voulons que l'Australie fasse des avancées scientifiques, nous devons donner aux jeunes les ressources nécessaires pour atteindre ces grands objectifs, et nous devons leur donner un peu de liberté pour le faire, " il dit.
"Je pense que l'une des beautés de ce programme et une chose que j'attends avec impatience, voit certaines des idées farfelues être testées et, espérons-le, quelques-unes se transformer en quelque chose de réussi. »
