Du visible à l’infrarouge : développer des nanocristaux de haute qualité

Récompensés par le prix Nobel de chimie 2023, les points quantiques ont une grande variété d’applications, allant des écrans et des lampes LED à la catalyse de réactions chimiques et à la bio-imagerie. Ces nanocristaux semi-conducteurs sont si petits (de l’ordre du nanomètre) que leurs propriétés (comme la couleur) dépendent de leur taille et commencent à présenter des propriétés quantiques. Cette technologie est bien développée, mais uniquement dans le spectre visible, ce qui laisse des opportunités inexploitées pour les technologies dans les régions ultraviolette et infrarouge du spectre électromagnétique.

Dans une nouvelle recherche publiée dans Synthèse de la natureAndrew Smith, professeur de bio-ingénierie à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, et Wonseok Lee, chercheur postdoctoral, ont développé des nanocristaux de séléniure de mercure (HgSe) et de séléniure de mercure et de cadmium (HgCdSe) qui absorbent et émettent dans l’infrarouge, fabriqués à partir de précurseurs de séléniure de cadmium (CdSe) à spectre visible déjà bien développés. Les nouveaux produits nanocristallins conservent les propriétés souhaitées des nanocristaux CdSe parents, notamment la taille, la forme et l’uniformité.

« C’est le premier exemple de points quantiques infrarouges qui ont le même niveau de qualité que ceux qui se trouvent dans le spectre visible », explique Smith.

Bien que la technologie des nanocristaux existe depuis plus de 50 ans, seuls les nanocristaux qui fonctionnent dans la partie visible du spectre ont connu des avancées significatives. Smith explique : « Ils constituent une part importante des dispositifs d’affichage et de toute technologie absorbant ou émettant de la lumière. Il y a simplement eu une volonté intrinsèque de développer une technologie qui aura le plus grand marché au final. »

Au-delà de la simple demande du marché pour les nanocristaux du spectre visible, la chimie est plus difficile pour les matériaux de l’infrarouge, dont la longueur d’onde est plus longue et l’énergie plus faible que la lumière du spectre visible. Pour obtenir une absorption et une émission de lumière dans l’infrarouge, il faut utiliser des éléments plus lourds qui se situent plus bas dans le tableau périodique. La chimie avec ces éléments est plus difficile, ce qui entraîne davantage de réactions secondaires indésirables et des réactions moins prévisibles. Ils sont également sujets à la dégradation et sont sensibles aux changements ambiants dans l’environnement, comme l’eau.

Les nanocristaux à points quantiques peuvent être fabriqués à partir de semi-conducteurs élémentaires, comme le silicium, ou être binaires ou ternaires. Le mélange de deux éléments peut produire de nombreuses propriétés différentes. Le mélange de trois éléments peut produire des propriétés exponentiellement plus nombreuses.

« Nous nous sommes concentrés sur ce type de matériau, un alliage ternaire – le séléniure de mercure et de cadmium – parce que nous pensons qu’il pourrait être le matériau « parfait » à fabriquer », explique Smith. « On pourrait pratiquement obtenir n’importe quelle propriété souhaitée en modifiant le rapport entre les atomes de cadmium et de mercure. Il peut couvrir cette vaste gamme du spectre électromagnétique – de l’infrarouge à l’ensemble du spectre visible – et obtenir de très nombreuses propriétés. »

Smith avait essayé de produire ce matériau depuis ses études supérieures, sans succès, et même dans la communauté scientifique au sens large, aucun succès n’avait été signalé jusqu’à présent.

« Nous avons procédé en prenant l’un des éléments visibles déjà perfectionnés, le séléniure de cadmium, considéré comme le point quantique le plus développé, et en l’utilisant comme un « moule sacrificiel », explique-t-il.

En remplaçant les atomes de cadmium par des atomes de mercure, on fait instantanément basculer le tout dans le spectre infrarouge, avec toutes les qualités souhaitées conservées : forte absorption lumineuse, forte émission lumineuse et homogénéité.

Pour y parvenir, Smith et Lee ont dû abandonner la méthode traditionnelle de synthèse des nanocristaux, qui consiste à mélanger les éléments précurseurs. Dans les bonnes conditions, ils se décomposent pour donner la forme nanocristalline souhaitée. Il s’avère qu’aucune condition n’a été trouvée pour le mercure, le cadmium et le séléniure.

« Lee a développé un nouveau procédé appelé échange de cations amélioré par interdiffusion », explique Smith. « Dans ce procédé, nous ajoutons un quatrième élément, l’argent, qui introduit des défauts dans le matériau, ce qui provoque un mélange homogène de tous les éléments. Et cela a résolu tout le problème. »

Les points quantiques ont de nombreuses applications, mais l’une des applications les plus prometteuses est celle des sondes moléculaires pour l’imagerie, où ils peuvent être intégrés à des systèmes biologiques et détectés dans les tissus. Comme la plupart des points quantiques émettent dans le spectre visible, seules les émissions proches de la surface de la peau peuvent être détectées. La biologie, en revanche, est relativement transparente dans l’infrarouge, et par conséquent, les tissus plus profonds peuvent être sondés.

Les souris sont le modèle standard de la plupart des maladies. Smith explique qu’avec des points quantiques émettant dans l’infrarouge, les chercheurs pourraient voir presque entièrement à travers un rongeur vivant pour visualiser sa physiologie et l’emplacement de molécules spécifiques dans tout le corps. Cela permettra de mieux comprendre les processus biologiques et de développer des thérapies sans avoir à sacrifier les souris, ce qui pourrait changer le développement préclinique des médicaments.