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Dans le monde entier, d'énormes travaux de recherche et de développement sont actuellement menés sur des molécules organiques ou contenant du carbone qui émettent une lumière colorée après une excitation appropriée. Ce domaine de recherche est stimulé par l'industrie des écrans et le développement de techniques d'imagerie biomédicale. Alors que le réglage précis de la couleur des colorants organiques fluorescents était jusqu'à présent généralement obtenu en mélangeant différentes molécules, des chercheur·ses de l'ETH Zurich ont mis au point une approche permettant de générer une large palette de couleurs par le biais d'ajustements chimiques au sein même des molécules.
Yinyin Bao, chef de groupe dans l'équipe du professeur de l'ETH Zurich Jean-Christophe Leroux, et son équipe de scientifiques se sont tournés vers les polymères organiques fluorescents pour ce travail. Ces polymères peuvent être considérés comme des chaînes mobiles de différentes longueurs. «Les chaînes ont une structure symétrique et deux composants contribuent à la fluorescence», explique Yinyin. Bao. «L'un des composants, appelé fluorophore, se trouve au milieu de la chaîne, tandis que l'autre est présent une fois à chacune des deux extrémités de la chaîne.» Des liens dont les scientifiques peuvent ajuster le nombre et la structure relient le fluorophore au milieu de la chaîne à chaque extrémité de la chaîne. Si la chaîne de polymère est pliée de manière à ce que l'une de ses extrémités se trouve près du fluorophore et que la chaîne est simultanément irradiée par une lumière UV, elle devient fluorescente.
Les scientifiques ont maintenant pu montrer que la couleur de la fluorescence dépend non seulement de la structure des maillons et des extrémités de la chaîne, mais aussi du nombre de maillons. «C'est l'interaction entre l'extrémité de la chaîne et le fluorophore qui est responsable de la fluorescence de ces polymères», explique Yinyin Bao : «La distance entre les deux composants affecte leur interaction et donc la couleur émise.»
Grâce à une méthode appelée polymérisation vivante, les chercheur·ses peuvent réguler le nombre de maillons de la chaîne. Tout d'abord, il·les font croître progressivement la chaîne par un lent processus d'attachement des blocs de construction au fluorophore. Une fois la longueur souhaitée atteinte, les scientifiques peuvent mettre fin au processus et générer simultanément la molécule de fin de chaîne. C'est ainsi que les chercheur·ses ont produit des polymères de différentes couleurs : avec moins de 18 blocs de construction, les molécules fluorescent en jaune ; avec 25 maillons de chaîne, en vert ; et avec 44 maillons ou plus, en bleu. «Ce qui est particulier, c'est que ces polymères différemment luminescents sont tous composés exactement des mêmes éléments. La seule différence est la longueur de la chaîne», explique Yinyin Bao.
OLEDs à large gamme de couleurs
L'équipe de recherche, comprenant des scientifiques du groupe du professeur de l'ETH Zurich Chih-Jen Shih et de l'Institut royal de technologie de Melbourne en Australie, a publié ses travaux dans la revue Science Advances. Actuellement, les chercheur·ses peuvent produire des polymères fluorescents en jaune, vert et bleu, mais il·les travaillent à étendre le principe à d'autres couleurs, dont le rouge.
Ces nouveaux polymères fluorescents ne peuvent pas être utilisés directement comme OLED (diodes électroluminescentes organiques) dans les écrans car leur conductivité électrique n'est pas suffisamment élevée, explique Yinyin Bao. Cependant, il devrait être possible de combiner les polymères avec des molécules semi-conductrices afin de produire de manière simple des OLEDs à large gamme de couleurs. Utilisées dans les centrales solaires à concentration, elles pourraient également capter plus efficacement la lumière du soleil et ainsi augmenter le rendement des centrales. Yinyin Bao voit leurs principaux domaines d'application dans les procédures de diagnostic de laboratoire qui utilisent la fluorescence, par exemple dans la PCR, ainsi que dans les procédures de microscopie et d'imagerie en biologie cellulaire et en médecine. D'autres utilisations potentielles seraient les éléments de sécurité sur les billets de banque et les certificats ou dans les passeports.