Un film circulaire de matériaux organiques phosphorescents est montré dans une faible lumière ambiante (en haut) et dans l'obscurité après exposition à la lumière ultraviolette (en bas). La lumière ultraviolette a été utilisée pour accumuler rapidement de l'énergie et produire une forte lueur, mais l'effet phosphorescent peut également être obtenu par exposition avec une lumière LED blanche ordinaire. Le film utilise un mélange de molécules donneuses et acceptrices pour obtenir cet effet pour la première fois avec des matériaux organiques. Le processus commence lorsqu'un accepteur absorbe l'énergie lumineuse incidente, conduisant au transfert d'une charge positive, ou trou, de l'accepteur d'électrons à un donneur d'électrons (1). La charge négative supplémentaire, ou électron, sur l'accepteur se sépare alors du trou en sautant parmi d'autres accepteurs (2). L'énergie est maintenant stockée à travers un électron et un trou spatialement séparés (3). L'électron revient finalement vers le trou (4), et la lumière est émise lorsque les deux se rejoignent (5). Certaines charges se recombinent rapidement, mais beaucoup peuvent rester stockés dans l'état de charge séparée pendant une longue période (3), ce qui conduit à l'émission incandescente longtemps après que la lumière d'excitation est éteinte. Crédit :Ryota Kabe et William J. Potscavage Jr.
Des peintures phosphorescentes qui ont amélioré la flexibilité et la transparence tout en étant moins chères et plus faciles à fabriquer sont à l'horizon grâce à de nouvelles recherches de l'Université de Kyushu. Dans une démonstration révolutionnaire, l'émission lumineuse d'une durée supérieure à une heure a été obtenue à partir de matières organiques, qui sont également prometteurs pour débloquer de nouvelles applications telles que la bio-imagerie.
Basé sur un processus appelé luminescence persistante, les matériaux phosphorescents fonctionnent en libérant lentement l'énergie absorbée par la lumière ambiante. Utilisé dans les montres et les signes d'urgence, les matériaux commerciaux phosphorescents sont basés sur des composés inorganiques et comprennent des métaux rares tels que l'europium et le dysprosium. Cependant, ces matériaux sont chers, nécessitent des températures élevées pour la fabrication, et diffusent la lumière - au lieu d'être transparente - lorsqu'elles sont broyées en poudres pour peintures.
Les matériaux organiques à base de carbone, similaires à ceux utilisés dans les plastiques et les pigments, peuvent surmonter bon nombre de ces inconvénients. Ils peuvent être d'excellents émetteurs et sont déjà largement utilisés dans les diodes électroluminescentes organiques (OLED). Mais parvenir à des émissions à longue durée de vie a été difficile, et la plus longue émission de matières organiques sous un éclairage intérieur à température ambiante était, jusqu'à maintenant, quelques minutes seulement.
Des chercheurs du Centre de recherche en photonique organique et en électronique (OPERA) de l'Université de Kyushu ont maintenant dépassé cette limite en utilisant de simples mélanges de deux molécules appropriées. Dans les films formés en faisant fondre ensemble des molécules qui donnent des électrons et celles qui acceptent des électrons, l'émission durant plus d'une heure a été démontrée pour la première fois à partir de matériaux organiques sans avoir besoin de sources lumineuses intenses ou de basses températures.
"De nombreux matériaux organiques peuvent utiliser l'énergie absorbée par la lumière pour émettre une lumière d'une couleur différente, mais cette émission est généralement rapide car l'énergie est stockée directement sur la molécule qui produit l'émission, " dit Ryota Kabe, auteur principal de l'article faisant état de ces nouvelles découvertes.
"Par contre, nos mélanges stockent l'énergie dans des charges électriques séparées sur une plus longue distance. Cette étape supplémentaire nous permet de ralentir fortement la libération de l'énergie sous forme de lumière, réalisant ainsi l'effet phosphorescent."
Dans les mélanges, absorption de la lumière par une molécule acceptant les électrons, ou accepteur, donne à la molécule une énergie supplémentaire qu'elle peut utiliser pour retirer un électron d'une molécule donneuse d'électrons, ou donateur. Ce transfert d'électron est effectivement le même qu'une charge positive transférée de l'accepteur au donneur.
L'électron supplémentaire sur l'accepteur peut alors sauter vers d'autres accepteurs et s'éloigner du donneur chargé positivement, entraînant la séparation des charges. Les charges séparées se réunissent progressivement - certaines lentement et d'autres plus rapidement - et libèrent leur énergie sous forme de lumière pendant près d'une heure.
Les mélanges et les processus sont similaires à ceux que l'on trouve dans les cellules solaires organiques et les OLED. Après avoir accumulé des charges séparées comme dans une cellule solaire, les charges n'ont nulle part où s'échapper, ils finissent donc par se réunir pour émettre de la lumière comme un OLED. La principale différence entre les mélanges nouvellement développés est que les charges peuvent exister dans un état séparé pendant de très longues périodes.
"Avec du bio, nous avons une excellente opportunité de réduire le coût des matériaux phosphorescents, donc le premier endroit où nous nous attendons à voir un impact est les applications à grande surface, tels que des couloirs ou des routes incandescentes pour plus de sécurité, " dit Chihaya Adachi, Directeur d'OPERA.
Chihaya Adachi (à gauche) et Ryota Kabe (à droite) du Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) de l'Université de Kyushu ont développé les premiers matériaux phosphorescents au monde à base de molécules organiques. La lumière des matériaux est produite lorsqu'un électron est transféré d'une molécule acceptrice à une molécule donneuse, qui est représenté par le schéma formé par leurs mains. Crédit :Centre de recherche en photonique organique et en électronique
"Après ça, nous pouvons commencer à penser à exploiter la polyvalence des matériaux organiques pour développer des tissus et des fenêtres qui brillent dans le noir, ou encore des sondes biocompatibles pour l'imagerie médicale."
Le premier défi à relever sur la voie de l'utilisation pratique est la sensibilité du procédé à l'oxygène et à l'eau. Des barrières de protection sont déjà utilisées dans l'électronique organique et les matériaux inorganiques phosphorescents, les chercheurs sont donc convaincus qu'une solution peut être trouvée. Parallèlement, ils étudient également de nouvelles structures moléculaires pour augmenter la durée et l'efficacité de l'émission ainsi que pour changer la couleur.
Alors que les efforts pour résoudre ces problèmes restants sont en cours, une nouvelle vague de matériaux phosphorescents à base de matières organiques semble prête à revigorer la zone et à étendre leurs applications.
