Les scientifiques ont découvert un groupe de matériaux qui pourraient ouvrir la voie à une nouvelle génération d'éclairage à haute efficacité, résoudre un dilemme qui a inhibé les performances de la technologie d'affichage pendant des décennies. Le développement de concepts d'économie d'énergie dans les applications d'affichage et d'éclairage est un axe majeur de recherche, puisqu'un cinquième de l'électricité mondiale est utilisé pour produire de la lumière.

Écrire dans Science cette semaine, l'équipe, de l'Université de Cambridge, l'Université d'East Anglia et l'Université de Finlande orientale, décrit comment il a développé un nouveau type de matériau qui utilise des molécules rotatives pour émettre de la lumière plus rapidement que jamais auparavant. Cela pourrait conduire à des téléviseurs, écrans de smartphone et éclairage de pièce plus économes en énergie, plus lumineux et plus durables que ceux actuellement sur le marché.

Auteur correspondant, Dr Dan Credgington, du Laboratoire Cavendish de l'Université de Cambridge, déclare : « Il est étonnant que la toute première démonstration de ce nouveau type de matériau surpasse déjà les performances des technologies qui ont mis des décennies à se développer. Si l'effet que nous avons découvert peut être exploité à travers le spectre, cela pourrait changer la façon dont nous générons la lumière."

Les matériaux moléculaires sont la force motrice des diodes électroluminescentes organiques (OLED) modernes. Inventé dans les années 1980, ces appareils émettent de la lumière lorsque de l'électricité est appliquée aux molécules organiques (à base de carbone) qu'ils contiennent. L'éclairage OLED est maintenant largement utilisé dans les téléviseurs, ordinateurs et téléphones portables. Cependant, il doit surmonter un problème fondamental qui a une efficacité limitée lorsqu'il s'agit de convertir l'énergie électrique en lumière.

Le passage d'un courant électrique à travers ces molécules les met dans un état excité, mais seulement 25 % d'entre eux sont des états « brillants » qui peuvent émettre de la lumière rapidement. Les 75 % restants sont des états « sombres » qui gaspillent généralement leur énergie sous forme de chaleur, ce qui limite l'efficacité de l'appareil OLED. Ce mode de fonctionnement produit plus de chaleur que de lumière, tout comme dans une ampoule à incandescence à l'ancienne. La raison sous-jacente est une propriété quantique appelée « spin » et les états sombres ont le mauvais type.

Une approche pour résoudre ce problème consiste à utiliser des éléments rares, comme l'iridium, qui aident les états sombres à émettre de la lumière en leur permettant de changer leur spin. Le problème est que ce processus prend trop de temps, de sorte que l'énergie bloquée dans les états sombres peut s'accumuler à des niveaux préjudiciables et rendre l'OLED instable. Cet effet est un tel problème pour les matériaux émettant du bleu (la lumière bleue a la plus haute énergie de toutes les couleurs) que, en pratique, l'approche ne peut pas être utilisée.

Les chimistes de l'Université d'East Anglia ont maintenant développé un nouveau type de matériau où deux molécules organiques différentes sont reliées par un atome de cuivre ou d'or. La structure résultante ressemble un peu à une hélice. Les composés, qui peut être fabriqué par une simple procédure en un seul récipient à partir de matériaux facilement disponibles, se sont avérés étonnamment luminescents. En faisant tourner leur "hélice", les états sombres formés sur ces matériaux se tordent, ce qui leur permet de changer de spin rapidement. Le processus augmente considérablement la vitesse à laquelle l'énergie électrique est convertie en lumière, atteignant une efficacité de près de 100 % et empêchant l'accumulation préjudiciable d'états sombres.

Dr Dawei Di et Dr Le Yang, de Cambridge, étaient co-auteurs principaux, avec le Dr Alexander Romanov, de l'UEA. Il dit:

"Notre découverte que des composés simples de cuivre et d'or peuvent être utilisés comme matériaux brillants et efficaces pour les OLED démontre comment la chimie peut apporter des avantages tangibles à la société. Toutes les tentatives précédentes pour construire des OLED à base de ces métaux n'ont abouti qu'à un succès médiocre. Le problème est que ces matériaux nécessitaient que les molécules organiques sophistiquées soient liées au cuivre, mais ne répondaient pas aux normes industrielles. Nos résultats répondent à un défi de recherche et développement en cours qui peut apporter des produits OLED de haute technologie abordables à chaque foyer.

La modélisation informatique a joué un rôle majeur dans la découverte de cette nouvelle façon d'exploiter les mouvements de torsion intramoléculaires pour la conversion d'énergie.

Professeur Mikko Linnolahti, de l'Université de Finlande orientale, où cela a été fait, commentaires:

"Ce travail constitue l'étude de cas sur la façon dont nous pouvons expliquer les principes derrière le fonctionnement de ces nouveaux matériaux et leur application dans OLEDS."

La prochaine étape est de concevoir de nouvelles molécules qui tirent pleinement parti de ce mécanisme, dans le but ultime de supprimer complètement le besoin d'éléments rares. Cela résoudrait le problème le plus ancien dans le domaine - comment fabriquer des OLED sans avoir à faire un compromis entre efficacité et stabilité.

Co-auteur principal, Dr Dawei Di, du Laboratoire Cavendish, dit:

"Nos travaux montrent que le spin à l'état excité et le mouvement moléculaire peuvent fonctionner ensemble pour avoir un impact important sur les performances des OLED. Il s'agit d'une excellente démonstration de la façon dont la mécanique quantique, une branche importante de la science fondamentale, peut avoir des conséquences directes pour une application commerciale qui a un énorme marché mondial."