SPECIAL QUANTUM DOT : ET SES MILLE USAGES

SPECIAL QUANTUM DOT : ET SES MILLE USAGES

2ème volet consacré au QUANTUM DOT, après avoir publié la genèse d’une nano-révolution, l’article se porte les propriétés remarquables des quantum dots qui les destinent à un large spectre d’applications. Parmi les plus clairement identifiées, citons la réalisation d’écrans plats, de dispositifs d’éclairage, de panneaux photovoltaïques, de batteries et supercondensateurs, de lasers et de toutes sortes de dispositifs électroniques. Enfin, les qds seront à l’origine de nouvelles techniques d’imagerie par fluorescence et de bien d’autres progrès en médecine et biologie.

ÉCRANS

C’est dans le domaine des écrans que les quantum dots ont fait leur percée la plus spectaculaire. On peut même les voir à l’œuvre depuis 2013, d’une part sur des téléviseurs grand format de la gamme Triluminos chez Sony, et d’autre part sur les dernières tablettes d’Amazon, les Kindle Fire HDX.

La liste devrait s’allonger au cours de l’année 2014. En particulier, si l’on en croit des rumeurs persistantes, le premier smartphone doté d’un écran à quantum dots pourrait être... le prochain smartphone d’Apple.

Pourquoi cet emballement ? Les fabricants d’écrans à cristaux liquides se ruent sur les quantum dots parce qu’ils promettent beaucoup. Notamment une gamme de couleurs bien plus étendue que celle qu’offrent les écrans LCD classiques. Actuellement, l’écran d’une tablette typique est capable de restituer environ 20% des nuances de couleurs qu’un œil humain peut distinguer, tandis que celui d’un téléviseur haute définition peut offrir quelque 35% de cette palette idéale. Les nouveaux écrans incorporant des quantum dots font un grand pas dans ce domaine en atteignant le chiffre de 55%.

Cette première génération d’écrans faisant appel aux QDs utilise ces derniers au niveau du rétro-éclairage, où ils permettent de produire une lumière blanche optimisée. Typiquement, un éclairage LED primaire bleu excite deux sortes de QDs qui absorbent ce bleu pour émettre du vert et du rouge. Pas n’importe quel vert ou rouge, mais dans chaque cas une lumière d’une longueur d’onde très précise, ce qui est facile à réaliser à l’aide de QD puisque ceux-ci émettent sur une fréquence qui dépend essentiellement de leur taille, que l’on sait contrôler. La lumière blanche ainsi produite (bleu initial plus vert plus rouge) permet au système de filtres dichroïques de l’écran de produire un maximum de nuances de couleurs.

QD Vision (Lexington, Massachusetts), une société créée par des chercheurs du MIT, propose ainsi sa solution Color IQ, qui a été choisie par Sony. De son côté, le pionnier californien Nanosys (Milpitas), spin-off de l’Université de Berkeley, produit en partenariat avec 3M une solution dénommée Quantum Dot Enhancement Film (QDEF) permettant de réaliser des écrans hauts en couleurs comme ceux des dernières tablettes Kindle Fire HDX d’Amazon.

Les écrans des téléviseurs Sony Triluminos et les Kindle Fire HDX ne se contentent pas d’offrir un bouquet de couleurs inégalé. Les QDs permettent également de renforcer l’intensité lumineuse tout en réduisant la consommation électrique. Mais ce n’est pas fini. Les QDs devraient être utilisés demain dans une nouvelle génération d’écrans où ils joueront un rôle encore plus déterminant. Au lieu d’aider à produire une meilleure lumière blanche, ils émettront directement les composantes rouges, vertes et bleues de chaque pixel. On parle de QDLED : quantum-dot light- emitting diode. Samsung a déjà présenté en 2010 un prototype de 10 cm de diagonale reposant sur ce principe.

Image : SPECTRE DE COULEURS VISIBLE PAR L’OEIL © ESPCI ParisTech

ÉCLAIRAGE

Capables d’émettre à la longueur d’onde désirée, simplement en contrôlant leur taille, les QDs offrent ainsi en principe une solution simple pour fabriquer par synthèse additive tout type de lumière blanche adaptée à l’éclairage de nos intérieurs ou de lieux publics. Les ampoules à QD devraient donc prochainement concurrencer les modèles LED existants, dès que les industriels auront trouvé les solutions pour passer de la théorie à l’industrialisation.

Ainsi le choix des matériaux utilisés n’est pas anodin. Or les QDs que l’on maîtrise le mieux à l’heure actuelle contiennent du cadmium, un élément chimique toxique que l’on ne peut employer dans un produit qui se retrouvera distribué en énormes quantités, facilement démontable et dont la fin de vie est difficilement contrôlable. C’est dans cette logique que se situent les recherches menées par une équipe du laboratoire Liten du CEA à Grenoble, en collaboration avec l’équipe de Peter Reiss, dans le cadre du projet Luminosurf. Ils ont abouti à la mise au point de quantum dots adaptés à la production de lumière, à fort rendement, mais reposant sur des matériaux non toxiques, ne contenant ni cadmium ni aucune « terre rare » (cette fameuse catégorie d’éléments chimiques disponibles en quantité limitée sur Terre et dont la Chine contrôle actuellement prés de 95% du marché). Le partenaire industriel du projet Luminosurf n’est autre que Philips, un acteur majeur du secteur de l’éclairage.

PHOTOVOLTAÏQUE

Un meilleur rendement à moindre coût, c’est ce que promettent les quantum dots dans le domaine des panneaux solaires photovoltaïques. La raison principale tient autant à des propriétés très complexes que nous nous garderons d’expliquer, qu’à des techniques de production drastiquement simplifiées par rapport aux lourds investissements requis pour les technologies actuelles à base de silicium amorphes ou de cristallin. De nombreuses équipes sont dans la course mais jusqu’à présent les meilleurs rendements obtenus en laboratoire tournent autour de 8,5%, alors que les panneaux du commerce offrent jusqu’à 20% et que le record en laboratoire pour une cellule multicouche est de 44,7%. Mais le jeu en vaut la chandelle puisque la théorie fixe à 87% le rendement maximum d’une cellule à QD. On estime que des rendements de l’ordre de 60% sont atteignables.

Ainsi une équipe du MIT a publié l’année dernière dans Advanced Materials sur un nouveau type de cellule solaire utilisant des QDs de PbS et des nanofils d’oxyde de zinc. Un rendement de 4,9% a ainsi été obtenu.

En décembre dernier, une équipe du Los Alamos National Laboratory a publié dans Nature Commu- nications des travaux portant sur une cellule photovoltaïque incluant des QDs CuInSeS, réalisés essentiellement à partir de cuivre, du coup non toxique et promettant un faible prix de revient. Le rendement obtenu dépassait les 5%. De son côté, le laboratoire de Edward Sargent, à l’Université de Toronto au Canada, a publié dans la revue ACS Nano un article annonçant un nouveau record avec un rendement de 8,5 %.

STOCKAGE DE L’ÉLECTRICITÉ

Les quantum dots devraient également trouver leur place dans le domaine du stockage de l’énergie électrique. Des travaux portent actuellement sur des batteries, de supercondensateurs et de dispositifs mixtes, à la fois batteries et supercondensateurs. Rappelons que les batteries stockent l’énergie par le biais d’une réaction chimique réversible tandis que les supercondensateurs, qui ne sont rien d’autre que de très gros condensateurs, se contentent de stocker des charges électriques. Chez les premières, le procédé est électrochimique, chez les seconds il est électrostatique. Les batteries stockent beaucoup plus d’énergie par kilo que les supercondensateurs, mais ces derniers leurs sont supérieurs en termes de puissance : ils absorbent et délivrent l’énergie en des temps beaucoup plus brefs.

Pourquoi des quantum dots dans ce contexte ? C’est très compliqué, mais disons que l’on est ici à la recherche de surface et que les dimensions infimes des QDs apportent justement cela : un excellent rapport surface sur volume. Les recherches avancent, les produits ne devraient pas tarder.

Difficile le stockage de gaz par le biais de matériaux nanoporeux

LASERS, CAPTEURS, ÉLECTRONIQUE, INFORMATIQUE...

On peut encore ajouter bien des choses dans la liste des applications des quantum dots. De nouveaux lasers ont ainsi déjà vu le jour. De nouveaux capteurs de lumière, reposant sur les QDs, devraient également trouver de multiples usages. Mais des bouleversements bien plus lourds sont possibles. Ainsi, certains imaginent que c’est une nouvelle ère de l’électronique qui pourrait s’ouvrir. Au moment où l’industrie électronique a poussé la miniaturisation des puces si loin que certains dispositifs ne fonctionnent plus selon les lois habituelles, elle pourrait enfourcher un nouveau cheval avec ces minuscules QDs dotés d’intéressantes propriétés. Enfin, notons que l’une des voies empruntée par l’informatique quantique, qui nous promet de ridiculiser les ordinateurs actuels, est le quantum dot.

MÉDECINE, BIOLOGIE

Les quantum dots sont porteurs de grands espoirs en médecine. Leurs propriétés de fluorescence les a rapidement désignés comme potentiels biomarqueurs mais on leur a depuis trouvé encore d’autres emplois, y compris dans le champ de la thérapeutique.

Non seulement leur fluorescence est puissante et stable, mais en plus il est possible de choisir la fréquence d’émission, donc la couleur, simplement en contrôlant la taille des QDs, ce que l’on sait très bien faire. La bande d’émission est étroite, ce qui ouvre la perspective d’utiliser de nombreux QDs de couleurs différentes en même temps... Restait à fixer sur ces QDs des molécules « ligands » capables de s’attacher à leur tour aux sites que l’on veut repérer dans un contexte biologique, cellules ou tissus in vitro, ou organisme vivant. Deux équipes, Paul Alivisatos à l’Université de Berkeley et Shuming Nie à l’Université de l’Indiana, démontrent en 1998 la viabilité de cette approche. Depuis lors, les expérimentations de ce type se multiplient.

Une première catégorie de techniques médicales reposant sur les quantum dots consiste à détecter, quantifier, localiser des molécules biologiques sur des prélèvements effectués sur un patient. On parle de diagnostic in vitro. Dans ce type d’applications, les QDs ne sont pas injectés dans le corps du patient et sont manipulés par un personnel qualifié. Les QDs contenant des métaux toxiques comme le cadmium ou le plomb peuvent donc être utilisés dans ce contexte. Ce sont ceux que l’on connaît le mieux et dont on sait aujourd’hui tirer le maximum.

Une seconde catégorie d’applications des QDs en médecine relève du diagnostic in vivo. Ainsi, dès 2004, Sungjee Kim au MIT fait appel à des QDs émettant dans le proche infrarouge pour guider la main du chirurgien recherchant chez la souris et le porc un « ganglion lymphatique sentinelle » signalant le début d’une propagation d’un cancer par métastases. D’autres équipes ont depuis développé toutes sortes de techniques d’imagerie reposant sur ce principe, permettant de visualiser directement, in vivo, en temps réel pendant l’intervention, les limites d’une tumeur ou plus généralement de tissus porteurs de molécules signalant par exemple un état pathologique.

Pour ce type d’application, la question de la toxicité des QDs devient cruciale. C’est pourquoi de nombreuses équipes cherchent à remplacer le cadmium et les autres métaux toxiques par des éléments chimiques mieux tolérés par l’organisme.

La liste des applications potentielles des QDs dans le domaine médical et plus généralement en biologie est déjà longue. On sait de mieux en mieux fabriquer des QDs capables de s’attacher à toutes sortes de molécules biologiques, des plus simples à l’ADN en passant par des protéines impliquées dans toutes sortes de processus biologiques. Les QDs ont donc vocation à se retrouver employés dans de nombreuses démarches médicales, de la détection d’agents infectieux, de gènes, protéines ou autres à l’imagerie en cours d’intervention chirurgicale. Aux dernières nouvelles, applications thérapeutiques sont envisageables, le QD servant de véhicule pour une molécule active. Mieux, les QDs se révèlent utiles dans la recherche de nouveaux médicaments.

(A) Marquage de cellules épithéliales humaines avec des anticorps liés à des Quantum Dots.

(B) Absence de marquage sans anticorps antinucléaire. Absence de liens anticorps- Quantum Dots : aucune coloration n’est détectable.

(C) Marquage de deux cibles différentes par liaison anticorps avec deux types de Quantum Dots

(D) Marquage de deux cibles dont la surface de la protéine HER2, un biomarqueur du cancer du sein.