"Ce que nous voyons ici, c'est un transfert d'énergie beaucoup plus rapide que dans n'importe quel semi-conducteur, " dit Jakob Heier. Le physicien travaille dans le laboratoire Polymères fonctionnels de l'Empa, et la découverte qu'il a faite avec son équipe pourrait faire sensation dans de nombreux domaines, tels que la technologie des capteurs, la transmission optique de données ou la fabrication de cellules solaires organiques. Nous parlons d'îlots de molécules de colorant avec un parfait, structure interne. Parmi les experts, de telles structures sont appelées J-agrégats. Bien qu'ils soient connus depuis plus de 80 ans, ils ont récemment attiré une attention renouvelée dans la recherche. Cela est dû à la vie interne électronique spéciale de ces îlots de teinture.

Pour comprendre ce que Heier et ses collègues ont trouvé, une courte excursion dans le monde des teintures est utile :si une teinture doit briller, la molécule doit d'abord être activée par la lumière. azurants optiques dans les détergents, par exemple, absorbe la lumière UV et émet une lumière bleuâtre (visible), c'est pourquoi les vêtements blancs brillent si fort sous la lumière UV d'un club. La lumière émise est plus faible en énergie que la lumière utilisée pour activer le colorant, car une partie de l'énergie est convertie en vibrations, c'est-à-dire la chaleur, dans la molécule de colorant.

Des molécules comme antennes énergétiques

Les agrégats J étudiés par Heier et Empa Ph.D. L'étudiant Surendra Anantharaman se comporte différemment des molécules de colorant individuelles. Dans ces îles moléculaires, les molécules de colorant sont bien ordonnées et très proches les unes des autres, un peu comme des allumettes dans une boîte. Dans cette constellation, la molécule de colorant n'a pas "à" briller, mais "peut" transmettre son énergie à une molécule voisine.

Par rapport aux semi-conducteurs classiques en silicium, il y a une différence cruciale, cependant :dans un semi-conducteur au silicium, comme une cellule solaire, l'énergie d'excitation est transportée via des porteurs de charge, par exemple des électrons, qui « saute » à travers le matériau, pour ainsi dire. Dans les agrégats J, d'autre part, les électrons oscillent seulement d'avant en arrière dans la molécule de colorant et ne la quittent jamais. Au lieu d'électrons, seules les oscillations sont transmises, comme les antennes émettrices et réceptrices du monde macroscopique. En réalité, Les agrégats J peuvent « transmettre » l'énergie à la plus petite échelle, extrêmement rapidement et à travers des centaines de molécules.

Des pertes élevées depuis 80 ans

Le phénomène des agrégats J et leur transmission d'énergie particulière a été découvert pour la première fois en 1936 par Edwin E. Jelley aux États-Unis et Günter Scheibe en Allemagne. Mais jusqu'à maintenant, environ 95 pour cent de l'énergie rayonnée a été perdue et n'a pas pu être transmise. Les « erreurs de construction » dans le système étaient à blâmer. En réalité, les molécules n'étaient pas si parfaitement alignées. Et chaque fois que l'impulsion d'énergie rencontrait l'un de ces défauts au cours de son voyage à travers l'agrégat J, le transport d'énergie a été interrompu. Une vibration moléculaire ordinaire a terminé le transfert, un peu de chaleur a été générée, et le jeu était terminé.

La forêt d'antennes parfaite

L'équipe de l'Empa, soutenu par des chercheurs de l'ETH Zurich, EPF Lausanne, PSI et IBM Research Zurich, a maintenant réussi à développer un système de teinture, dans lequel jusqu'à 60 pour cent de la lumière entrante est réémise. Cela signifie également que jusqu'à 60 % de l'énergie peut être transmise sans perte, par rapport aux 5 % précédents, c'est une sensation. La clé du succès était des îlots de teinture parfaitement construits qui avaient été créés dans une fine émulsion d'eau et d'hexylamine. Une émulsion est un mélange de gouttelettes de liquide dans un autre liquide – le lait ou la mayonnaise sont des émulsions que tout le monde connaît.

Les chercheurs de l'Empa ont observé que n'importe quelle émulsion ne ferait pas l'affaire :il fallait qu'il s'agisse d'une émulsion dite bicontinue, ce qui signifie que les gouttelettes en suspension dans le liquide extérieur ne doivent pas être éloignées les unes des autres, mais doivent s'être combinés pour former des structures en forme de stries. Ce n'est qu'alors que le colorant à l'étude forme les agrégats J sans défaut souhaités et peut « envoyer » l'énergie absorbée sur de longues distances sans perte. Ainsi, les molécules de colorant s'alignent dans une émulsion bicontinue, semblable aux allumettes dans une boîte. Ce n'est qu'alors que la transmission du signal réussit.

Les échecs font partie du jeu

L'étude qui vient d'être publiée mentionne également - dans la bonne tradition scientifique - les tentatives ratées et l'histoire de l'expérience réussie. Après tout, les chimistes et les physiciens du monde entier devraient pouvoir s'appuyer sur l'expérience de l'équipe de l'Empa. Par exemple, il n'a pas été possible de cristalliser le colorant sous forme de films minces sur une surface solide. Trop de défauts dans les cristaux ont gâché le transfert. Solutions aqueuses, dans lequel le colorant s'agrège en minuscules gouttelettes, ne fonctionnent pas non plus. Seules les émulsions bicontinues conduisent à la transmission du signal - et seulement s'il reste des molécules de colorant individuelles dans une phase liquide qui peuvent combler les trous et combler les lacunes dans les agrégats J - en d'autres termes, qui peut réparer les défauts.

Les chercheurs ont certainement encore un long chemin à parcourir avant que ce qu'ils ont maintenant réalisé dans une émulsion puisse être rendu techniquement utile. Mais la transmission du signal à travers les colorants pourrait pénétrer dans de nombreux domaines de la vie quotidienne. Par exemple, il est possible de capturer une faible lumière infrarouge à l'aide de ces colorants et de la convertir en signaux numériques à l'aide de points quantiques - un avantage pour la technologie des capteurs et les cellules solaires, qui sont censés fournir de l'électricité même en très faible luminosité. En raison de leurs propriétés uniques, Les agrégats J se prêtent également à des applications dans les ordinateurs quantiques et la transmission optique de données.

Finalement, les agrégats de colorants conducteurs de signaux pourraient devenir utiles dans le diagnostic des tissus vivants :lumière infrarouge, ou rayonnement thermique, pénètre profondément dans les tissus humains sans endommager les cellules. Les agrégats J pourraient rendre ce rayonnement visible et le numériser. Cela pourrait grandement faciliter et améliorer l'imagerie au microscope à haute résolution des tissus vivants.