Prix Nobel de Chimie 2023 : la boîte quantique ...et encore la France !

« Les boîtes quantiques peuvent être considérées comme une étape importante pour les domaines de la nanotechnologie qui consiste en réalité à utiliser de nouvelles propriétés qui se produisent à ces nouvelles échelles. » (Pr. Heiner Linke, membre du Comité Nobel de Chimie, interrogé le 4 octobre 2023 par Sharon Jama).







Dans quelques jours (dimanche 10 décembre), Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus et Alexeï Ekimov vont recevoir leur Prix Nobel de Chimie. Je reviens sur ce prix, annoncé le 4 octobre 2023 (après un petit cafouillage de quelques heures, à cause d'une fuite inopinée en début de matinée), un prix qui mérite qu'on s'y attarde. Cité par "Le Monde", Thomas Pons, physicien de l’Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) à l’ESPCI-Paris-PSL, qui étudie l’activité neuronale grâce aux boîtes quantiques, exultait : « Nous attendions depuis longtemps cette récompense. Elle met en avant les fondateurs d’un domaine toujours très actif. ».

Et déjà, même si l'aspect national est très anecdotique, je ne le répéterai jamais assez, la science n'a pas de frontières et c'est la coopération de tous les pays qui permettent des avancées scientifiques majeures, faisons deux remarques : d'une part, ce prix était œcuménique, puisqu'il vient récompenser deux Américains et un Russe, en ces temps de guerre, c'est anecdotique mais ce n'est pas anodin ; d'autre part, une fois encore, la France est aussi récompensée dans ce prix, comme pour le Prix Nobel de Physique 2023 (les derniers Prix Nobel de Chimie français sont également récents : Emmanuelle Charpentier en 2020, Jean-Pierre Sauvage en 2016, Yves Chauvin en 2005 et Jean-Marie Lehn en 1987, pour les cinquante dernières années). J'insiste sur le fait que la France fait partie des pays d'excellence scientifique et qu'il est capable de produire des innovations scientifiques majeures. Je le martèle car les Français, et en particulier ce que j'appellerais les prescripteurs d'opinion (journalistes, personnalités politiques, acteurs culturels, etc.), aiment trop souvent dénigrer leur propre pays.

Certes, ici, c'est même ultra-anecdotique car si Moungi G. Bawendi a la nationalité française (il est né le 15 mars 1961 à Paris), il a aussi la nationalité tunisienne et la nationalité américaine. Diplômé de l'Université Harvard et d'un doctorat de l'Université de Chicago, il a fait toute sa carrière aux États-Unis, d'abord aux Laboratoires Bell (comme postdoc) sous la direction de Louis Brus, un des deux autres lauréats, sur les nanomatériaux, puis à partir de 1990, au Massachusetts Institute of Technology (MIT) comme professeur et chercheur. Il y a créé son propre laboratoire de nanochimie où il développe des nanocristaux.

Louis E. Brus (né le 10 août 1943 à Cleveland) est professeur de chimie de l'Université de Columbia, il a travaillé pour les Laboratoires Bell jusqu'en 1996, l'un des premiers à avoir synthétisé des boîtes quantiques. Alexeï Ekimov (né le 28 février 1948 à Saint-Pétersbourg) a fait ses études à Saint-Pétersbourg avant de travailler aux États-Unis. Il a aussi travaillé en France (à l'Université Claude-Bernard à Lyon et à l'École Polytechnique) et au Japon (Université d'Osaka). Indépendamment de son collègue américain, il a synthétisé à peu près en même des boîtes quantiques.

Ces trois chercheurs ont été récompensés par le Comité Nobel de Chimie « pour la découverte et la synthèse des boîtes quantiques ».

Qu'est-ce qu'une boîte quantique ? Là encore, il s'agit ici d'être très succinct. En anglais, on l'appelle "quantum dot" qui devrait se traduire en français par "point quantique" mais "boîte quantique" paraît plus adapté à l'objet en question. Il s'agit en fait de synthétiser une structure très fine, de quelques nanomètres (c'est-à-dire quelques dizaines ou centaines de couches d'atomes), qui piègent les électrons. À ces dimensions ultrafaibles, les lois de la physique sont bouleversées, ou, plutôt, ce sont les propriétés quantiques qui l'emportent sur les autres interactions électroniques. Cela crée ainsi des phénomènes "bizarres".

Pour se donner une idée de la dimension, Pr. Heiner Linke a proposé deux comparaisons parlantes. La première : « si une boîte quantique faisait la taille d’un ballon de football, un ballon de football ferait la taille de la Terre. ». Le seconde, plus ordinaire : « dix mille fois moins que le diamètre d’un cheveu ».

Il y a donc deux choses : la première chose, c'est de pouvoir fabriquer de tels composants ; la seconde chose, c'est d'utiliser leurs propriétés bizarres pour avoir des applications intéressantes. Sur les applications, certaines sont indiquées ici, mais très clairement, on n'imagine pas vraiment l'étendue des domaines qui pourront utiliser les boîtes quantiques. C'est donc une sorte de joujou pour l'instant presque au point de "gadget" (sans connotation négative) et qui, à terme, comme beaucoup de découvertes, pourra devenir déterminant dans le futur plus ou moins proche.

La synthèse ? Il est évidemment difficile de fabriquer ces objets aussi fins. Alexeï Ekimov, Alexander Efros et Alexeï Onouchtchenko ont ainsi réussi en 1981, à l'Institut d'Optique Vavilov de Saint-Pétersbourg, à synthétiser des cristaux de chlorure de cuivre dans du verre et ont démontré que la taille de ces cristaux changeait la couleur du verre grâce à leurs effets quantiques. Après avoir synthétisé, un peu plus tard, en 1983, des nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux à New York, Louis Brus a démontré, que la taille des particules flottant librement dans un fluide déterminait leurs effets quantiques. Enfin, en 1993, Moungi Bawendi, Christopher Murray et David Morris, au MIT, ont réussi à reproduire des boîtes quantiques identiques d'une qualité optique presque parfaite, permettant d'utiliser leurs effets quantiques dans des applications industrielles. Parmi les composants des boîtes quantiques, du sulfate ou du séléniure de cadmium, de l'arséniure de gallium ou d'indium, etc.



Les propriétés ? Dans les boîtes quantiques, on démontre assez facilement que la taille régit les propriétés. En effet, les propriétés chimiques d'un élément sont déterminées par le nombre d'électrons. Mais quand on arrive à des dimensions nanométriques, ces électrons ont des comportements quantiques, donc, très différents de la chimie ordinaire. Johan Aqvist, président du Comité Nobel de Chimie, a expliqué : « Les boîtes quantiques possèdent de nombreuses propriétés fascinantes et inhabituelles. Ce qui est important, c'est qu'ils ont des couleurs différentes selon leur taille. ». Plus la taille est petite, plus la lumière émise tire vers le violet. Mais les propriétés magnétiques du matériaux sont également modifiées ainsi que sa température de fusion.

Ainsi, l'une des premières applications, c'est sur les écrans plats, pour définir une meilleure qualité des pixels de couleur (les QLED). La taille donne la couleur. Alors que dans des dimensions ordinaires, on utilise des éléments différents pour les différentes couleurs, là, on utilise le même élément mais à des dimensions différentes. D'autres applications "lumineuses" ont été proposées, en particulier dans la manière de nuancer les couleurs des LED, cela signifie qu'on pourra définir des nuances d'éclairage qu'on n'avait encore jamais réussi à atteindre.

Moins anecdotiques, ce sont les applications en imagerie médicale : les médecins et les biochimistes pourront avoir une meilleure capacité de cartographier les tissus biologiques (repérage de cellules cancéreuses, etc.). Également dans le domaine du médicament : cela permettrait de transporter entre les cellules les médicaments et ne plus avoir besoin de virus ou de bactérie pour le faire, etc. Interrogé par "Le Monde", Antoine Triller, de l'Institut de biologie de l’École Normale Supérieure, a expliqué : « Ces quantum dots nous ont donné une ouverture fantastique pour la compréhension des phénomènes au sein des membranes, dans les cellules nerveuses par exemple, et les concepts qui sont sortis de ces observations ont été très féconds. ».

Mais l'avenir est prometteur car avec les boîtes quantiques, c'est une toute nouvelle électronique qui va se développer dans les décennies à venir. Dans le résumé du Comité Nobel, l'enthousiasme est très fort : « Les chercheurs pensent qu’à l’avenir, ils pourraient contribuer à une électronique flexible, à de minuscules capteurs, à des cellules solaires plus fines et à une communication quantique cryptée. Nous venons donc tout juste de commencer à explorer le potentiel de ces minuscules particules. ». On peut penser à de nombreux domaines d'application comme l'électrochimie, l'informatique quantique, la photonique (l'optique quantique), les panneaux photovoltaïques, la cosmétique, la mise au point de divers capteurs très précis, etc.

Pour "Le Monde", David Larousserie a toutefois évoqué les "oubliés" de ce Prix Nobel de Chimie 2023. Il en a cité deux : le chimiste américain Paul Alivisatos, un autre postdoc de Louis Brus qui a créé l'entreprise Quantom Dot Corporation (et président de l'Université de Chicago depuis 2021), avait reçu en 2014 le Prix Wolf (l'un des prix les plus prestigieux avant le Nobel), et le physicien russe Alexander Efros, qui avait reçu en 2006, avec Alexeï Ekimos et Louis Brus, le Prix R. W. Wood de la Société américaine d'optique pour le développement des boîtes quantiques. Il faut observer que l'attribution des Prix Nobel est limité à trois lauréats maximum par année et par discipline, malgré l'idée que la science est avant tout un travail d'équipe. C'est pour cela que, en faisant le choix de la découvertes, le Comité Nobel doit faire des choix sur les découvreurs, parfois arbitraires.


Aussi sur le blog.

Sylvain Rakotoarison (25 novembre 2023)
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Pour aller plus loin :
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