La science a fait un pas de plus vers l'introduction de l'effet lumineux dans l'obscurité, souvent utilisé dans les enseignes et les montres, dans une plus grande variété d'applications sans avoir besoin de métaux rares.
En appliquant une nouvelle stratégie de combinaison de molécules organiques à base de carbone, des chercheurs de l'université de Kyushu et de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST), tous deux au Japon, ont considérablement amélioré la durée et la force de l'effet lumineux produit par ces matériaux polyvalents. Comme l'indique un article paru dans Nature Materials, ces nouveaux matériaux organiques pourraient être plus facilement transformés en peintures et en fibres que leurs homologues contenant des métaux rares.
Ces nouveaux travaux s'appuient sur la découverte par le même groupe de recherche, en 2017, du premier système organique au monde permettant de produire l'effet lumineux dans l'obscurité à température ambiante en faisant fondre ensemble deux molécules sans métal. Formellement connu sous le nom de luminescence persistante, le phénomène de lueur dans l'obscurité est également souvent appelé phosphorescence, bien que ce terme s'applique également à un autre mécanisme d'émission couramment rencontré dans les matériaux organiques.
Bien que les matériaux phosphorescents commerciaux basés sur des composés inorganiques contenant des métaux de terres rares atteignent déjà d'excellentes performances, leur nature inorganique limite souvent la façon dont ils peuvent être traités.
"Les matériaux organiques sont plus facilement disponibles que les matériaux inorganiques contenant des métaux rares, et leur solubilité les rend plus faciles à traiter", explique Chihaya Adachi, professeur et responsable de la recherche à l'université de Kyushu. "Outre de nouvelles applications pour les matériaux stockant la lumière, comme les encres, les films et les fibres, nous pensons que les organiques permettront également des applications de bio-imagerie à l'avenir."
Cependant, la longueur et la force de l'émission du matériau organique qu'ils ont développé en 2017 n'étaient qu'environ un centième de celles des matériaux inorganiques, et la lueur s'éteignait rapidement en présence d'oxygène.
“En modifiant notre stratégie de conception, nous avons réussi à améliorer les performances de la luminescence organique persistante d'environ 10 fois par rapport à notre précédent rapport", déclare Ryota Kabe, professeur adjoint et responsable de la recherche à l'OIST.
Au cœur de l'émission, le mécanisme est l'excitation d'un électron chargé négativement dans un état d'énergie supérieure par l'absorption de la lumière. Le transfert d'un électron de plus faible énergie d'une molécule donneuse voisine pour remplir le "trou" laissé par l'électron excité fait qu'une molécule a un électron de plus que la normale et l'autre un électron de moins - une situation connue sous le nom d'état de transfert de charge.
L'émission se produit lorsque les électrons excités retournent aux molécules auxquelles il manque un électron et libèrent leur énergie supplémentaire sous forme de lumière. Pour obtenir une lueur durable, il faut donc que les charges se séparent en sautant entre les molécules, ce qui ralentit leur retour éventuel.
Dans cette étude, les chercheurs ont choisi une combinaison de matériaux dans laquelle ce sont effectivement les trous - les vides laissés par les électrons excités - qui sautent entre les molécules, plutôt que les électrons. Les trous sont généralement plus stables et moins réactifs avec l'oxygène, de sorte que l'émission de lumière du matériau était beaucoup plus longue dans l'air que ce n'était le cas avec leurs matériaux précédents, où les électrons excités étaient mobiles.
En utilisant un matériau absorbant pouvant être excité par une lumière de plus faible énergie, les matériaux ont pu être excités non seulement par la lumière ultraviolette, mais aussi par la lumière verte et même orange. En outre, les chercheurs ont pu stabiliser davantage l'état de stockage de l'énergie en ajoutant un troisième matériau organique qui piège essentiellement les trous, retardant leur retour et prolongeant la durée d'émission.
"Nous avons maintenant réussi à obtenir une durée et une émission plus longues dans des conditions atmosphériques", commente Kabe. "Bien que les performances soient encore inférieures à celles des matériaux inorganiques, nous espérons atteindre des performances qui dépassent celles des matériaux inorganiques avec des recherches supplémentaires."
Les chercheurs espèrent également que les matériaux organiques développés dans le cadre de cette recherche contribueront à l'expansion et à la diversification des industries durables sans avoir besoin de métaux rares.
"À maintes reprises, nous constatons que le contrôle précis des matériaux organiques à transfert de charge permet l'expression d'une variété de propriétés d'émission, non seulement pour les applications phosphorescentes, mais aussi pour les LED et les lasers organiques. J'attends avec impatience les nouvelles possibilités que l'approfondissement de la science apportera à l'avenir", déclare M. Adachi.
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