En s'inspirant de la photosynthèse, Les chercheurs de KAUST ont développé une nouvelle approche des structures organométalliques (MOF) qui pourraient aider les cellules solaires à recueillir plus d'énergie du Soleil.

Un MOF est une sorte de cristal poreux constitué d'un réseau de nœuds à base de métal reliés par des molécules de liaison à base de carbone. Les MOF sont des matériaux particulièrement polyvalents car les chercheurs peuvent facilement concevoir et affiner leurs propriétés en modifiant les lieurs ou les nœuds. Les MOF sont déjà à l'étude en tant que catalyseurs et pour une utilisation dans des applications, comme la séparation des gaz, détection et stockage.

Un nouveau MOF développé à KAUST imite une étape cruciale de transfert d'énergie dans la photosynthèse, le processus naturel que les plantes utilisent pour collecter la lumière et la convertir en énergie chimique.

Les cristaux de MOF jaune pâle contiennent 12 amas coordonnés à base de zirconium et deux lieurs organiques différents :une molécule de benzimidazole connue sous le nom de BI, et un thiadiazole appelé TD. Les deux linkers ont été conçus non seulement pour avoir une taille et une forme similaires, mais surtout de posséder un très fort chevauchement spectral, une caractéristique clé pour des processus de transfert d'énergie efficaces.

Les chercheurs ont projeté une lumière ultraviolette d'une longueur d'onde de 315 nanomètres au MOF. Ils ont découvert que son linker BI absorbait la lumière puis émettait rapidement l'énergie à une longueur d'onde plus longue de 430 nanomètres, correspondant à la lumière bleue. Le linker TD a absorbé efficacement cette lumière bleue, et réémis l'énergie sous forme de lumière verte avec une longueur d'onde de 530 nanomètres.

Les chercheurs ont surveillé le processus de transfert d'énergie à l'aide d'une technique appelée comptage de photons uniques corrélés dans le temps, qui peut suivre l'émission de lumière sur des échelles de temps incroyablement brèves. Cela a révélé que le processus de transfert d'énergie entre les deux linkers a pris environ 100 picosecondes, ou cent billionièmes de seconde. « Il est difficile de concevoir et de synthétiser un tel système de collecte de lumière et d'observer ce phénomène de transfert d'énergie rapide, ", déclare Jiangtao Jia, membre de l'équipe du centre Advanced Membranes and Porous Materials de KAUST.

"Mais grâce à la solide infrastructure de recherche de KAUST, nous avons l'une des meilleures installations au monde pour déterminer la durée de vie de la photoluminescence à l'échelle de la picoseconde, " ajoute le membre de l'équipe Luis Gutieŕrez-Arzaluz.

Cela a permis à l'équipe de s'assurer que le processus de transfert d'énergie avait une efficacité de plus de 90 pour cent, ce qui en fait l'un des MOF de transfert d'énergie les plus efficaces à ce jour. "À l'avenir, ce contrôle délibéré au niveau moléculaire pourrait ouvrir la voie à la conception de systèmes de photosynthèse artificielle très performants à base de matériaux MOF, " dit Jia.