Le prix Nobel de chimie 2023 n’est pas le premier Nobel décerné pour la recherche en nanotechnologie. Mais il s'agit peut-être de l'application la plus colorée de la technologie associée à cette distinction.
Le prix de cette année récompense Moungi Bawendi, Louis Brus et Alexei Ekimov pour la découverte et le développement des points quantiques. Pendant de nombreuses années, ces particules de taille nanométrique, construites avec précision – à peine quelques centaines de millièmes de la largeur d'un cheveu humain en diamètre – ont été les chouchous des présentations et des présentations sur la nanotechnologie. En tant que chercheur et conseiller en nanotechnologie, je les ai même moi-même utilisés lorsque je discutais avec des développeurs, des décideurs politiques, des groupes de défense et d'autres sur les promesses et les périls de la technologie.
Les origines de la nanotechnologie sont antérieures aux travaux de Bawendi, Brus et Ekimov sur les points quantiques :le physicien Richard Feynman a spéculé sur ce qui pourrait être possible grâce à l'ingénierie à l'échelle nanométrique dès 1959, et des ingénieurs comme Erik Drexler spéculaient sur les possibilités de fabrication atomiquement précise dans le monde. années 1980. Cependant, le trio de lauréats du prix Nobel de cette année faisait partie de la première vague de nanotechnologie moderne où les chercheurs ont commencé à mettre en pratique les avancées de la science des matériaux.
Les points quantiques sont brillamment fluorescents :ils absorbent une couleur de lumière et la réémettent presque instantanément sous une autre couleur. Une fiole de points quantiques, lorsqu’elle est éclairée par une lumière à large spectre, brille d’une seule couleur vive. Ce qui les rend spéciaux, cependant, c'est que leur couleur est déterminée par leur taille. Faites-les petits et vous obtenez un bleu intense. Agrandissez-les, bien qu'à l'échelle nanométrique, et la couleur passe au rouge.
Cette propriété a donné lieu à de nombreuses images saisissantes de rangées de flacons contenant des points quantiques de différentes tailles allant d'un bleu éclatant à une extrémité, en passant par des verts et des oranges, jusqu'à un rouge vif de l'autre. Cette démonstration du pouvoir de la nanotechnologie est si frappante qu'au début des années 2000, les points quantiques sont devenus emblématiques de l'étrangeté et de la nouveauté de la nanotechnologie.
Mais bien entendu, les points quantiques sont bien plus qu’une astuce de salon visuellement attrayante. Ils démontrent que des interactions uniques, contrôlables et utiles entre la matière et la lumière peuvent être obtenues grâce à l'ingénierie de la forme physique de la matière, en modifiant la taille, la forme et la structure des objets ou des instances, plutôt qu'en jouant avec les liaisons chimiques entre atomes et molécules. La distinction est importante et elle est au cœur de la nanotechnologie moderne.
Les longueurs d’onde de la lumière qu’un matériau absorbe, réfléchit ou émet sont généralement déterminées par les liaisons chimiques qui lient les atomes qui le constituent. Jouez avec la chimie d'un matériau et il est possible d'affiner ces liaisons pour qu'elles vous donnent les couleurs que vous souhaitez. Par exemple, certaines des premières teintures commençaient avec une substance claire telle que l'analine, transformée par des réactions chimiques pour obtenir la teinte souhaitée.
C'est un moyen efficace de travailler avec la lumière et la couleur, mais cela conduit également à des produits qui s'estompent avec le temps à mesure que ces liaisons se dégradent. Cela implique également fréquemment l'utilisation de produits chimiques nocifs pour l'homme et l'environnement.
Les points quantiques fonctionnent différemment. Plutôt que de dépendre de liaisons chimiques pour déterminer les longueurs d’onde de la lumière qu’elles absorbent et émettent, elles s’appuient sur de très petits amas de matériaux semi-conducteurs. C'est la physique quantique de ces amas qui détermine ensuite les longueurs d'onde de lumière émises, et cela dépend à son tour de la taille des amas.
Cette capacité à ajuster le comportement d'un matériau en changeant simplement sa taille change la donne en ce qui concerne l'intensité et la qualité de la lumière que les points quantiques peuvent produire, ainsi que leur résistance au blanchiment ou à la décoloration, leurs nouvelles utilisations et, si elles sont conçues. intelligemment :leur toxicité.
Bien entendu, peu de matériaux sont totalement non toxiques, et les points quantiques ne font pas exception. Les premiers points quantiques étaient souvent basés sur du séléniure de cadmium, par exemple, dont les composants sont toxiques. Cependant, la toxicité potentielle des points quantiques doit être contrebalancée par la probabilité de libération et d'exposition et par leur comparaison avec les alternatives.
Depuis ses débuts, la technologie des points quantiques a évolué en termes de sécurité et d’utilité et a trouvé sa place dans un nombre croissant de produits, depuis les écrans et l’éclairage jusqu’aux capteurs, applications biomédicales et bien plus encore. Ce faisant, une partie de leur nouveauté s’est peut-être dissipée. Il peut être difficile de se rappeler à quel point la technologie utilisée pour promouvoir la dernière génération de téléviseurs flashy représente un bond en avant.
Et pourtant, les points quantiques constituent un élément essentiel d'une transition technologique qui révolutionne la façon dont les gens travaillent avec les atomes et les molécules.
Dans mon livre « Films du futur :la technologie et la moralité des films de science-fiction », j'écris sur le concept de « codage de base ». L'idée est simple :si les gens peuvent manipuler le code le plus élémentaire qui définit le monde dans lequel nous vivons, nous pouvons commencer à le repenser et à le réorganiser.
Ce concept est intuitif lorsqu'il s'agit d'informatique, où les programmeurs utilisent le « code de base » composé de 1, de s et de 0, bien que via des langages de niveau supérieur. Cela a également du sens en biologie, où les scientifiques sont de plus en plus habiles à lire et à écrire le code de base de l'ADN et de l'ARN, dans ce cas, en utilisant les bases chimiques adénine, guanine, cytosine et thymine comme langage de codage.
Cette capacité à travailler avec des codes de base s’étend également au monde matériel. Ici, le code est composé d'atomes et de molécules et de la façon dont ils sont disposés de manière à conduire à de nouvelles propriétés.
Les travaux de Bawendi, Brus et Ekimov sur les points quantiques sont un parfait exemple de cette forme de codage de base du monde matériel. En formant avec précision de petits groupes d'atomes particuliers en « points » sphériques, ils ont pu exploiter de nouvelles propriétés quantiques qui autrement seraient inaccessibles. Grâce à leur travail, ils ont démontré le pouvoir de transformation que procure le codage avec des atomes.
Ils ont ouvert la voie à un codage de base à l’échelle nanométrique de plus en plus sophistiqué, qui conduit désormais à des produits et à des applications qui ne seraient pas possibles sans lui. Et ils ont été à l’origine d’une révolution nanotechnologique qui se poursuit encore aujourd’hui. Réingénierie du monde matériel de ces manières nouvelles transcende de loin ce qui peut être réalisé grâce à des technologies plus conventionnelles.
Cette possibilité a été évoquée dans un rapport du Conseil national des sciences et technologies des États-Unis de 1999 intitulé Nanotechnology:Shaping the World Atom by Atom. Bien qu'il ne mentionne pas explicitement les points quantiques (une omission sur laquelle les auteurs s'en prennent maintenant, j'en suis sûr), il montre à quel point la capacité de concevoir des matériaux à l'échelle atomique pourrait être transformatrice.
Cette façonnage du monde au niveau atomique est exactement ce à quoi Bawendi, Brus et Ekimov aspiraient à travers leur travail révolutionnaire. Ils ont été parmi les premiers « codeurs de base » des matériaux, car ils ont utilisé une ingénierie atomiquement précise pour exploiter la physique quantique des petites particules – et la reconnaissance par le comité Nobel de l'importance de cela est bien méritée.
Fourni par The Conversation
Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l'article original. 
