Une équipe de recherche de l'Université de Kyushu au Japon a récemment annoncé avoir développé un nouveau type de matériau moléculaire à l'état solide capable de convertir la lumière visible en lumière ultraviolette dans des conditions naturelles de lumière solaire. Il a atteint une efficacité de conversion ascendante de la lumière visible en ultraviolet de 1,9 % sous la lumière du soleil extérieure, ce qui est considéré comme une étape importante dans le domaine de la conversion ascendante des photons à l’état solide et de la recherche sur l’auto-assemblage moléculaire. Les résultats pertinents ont été publiés dans la revue Nature Communications le 23 juin 2026.


Les chercheurs ont clairement souligné que ce processus est similaire à "dans le monde quantique, verser deux tasses d'eau tiède ensemble pour obtenir une tasse d'eau bouillante" : des choses qui sont impossibles à se produire dans la vie macroscopique quotidienne peuvent être réalisées grâce à des processus quantiques au niveau microscopique des photons. Dans ce travail, deux photons de lumière visible de faible énergie peuvent « unir leurs forces » pour former un photon ultraviolet de plus haute énergie, permettant ainsi une « utilisation améliorée » de l’énergie lumineuse.

La lumière ultraviolette joue un rôle clé dans des domaines tels que la purification de l’air, le durcissement des résines d’impression 3D, les matériaux d’obturation dentaire et le durcissement à la lumière des ongles. Cependant, sous la lumière naturelle du soleil, la lumière ultraviolette ne représente qu'environ 6 % du rayonnement solaire total atteignant la surface de la Terre, et seule une petite partie de celui-ci peut être utilisée par la technologie. L'objectif de l'équipe de l'Université de Kyushu est d'utiliser la technologie de « conversion ascendante de photons » pour convertir les ressources de lumière visible initialement abondantes en lumière ultraviolette avec une plus grande valeur d'application, fournissant ainsi une source de lumière moins chère et plus sûre pour une variété de technologies qui reposent sur la lumière ultraviolette.

Cette recherche a utilisé un mécanisme de conversion ascendante de photons appelé « annihilation triplet-triplet » (TTA). Plus précisément, dans le système, la molécule « donneuse » absorbe d’abord la lumière visible, et les électrons passent à un état triplet de haute énergie ; ensuite, l'énergie est transférée à la molécule « acceptrice » proche, formant une excitation d'état triplet de l'accepteur ; lorsque les deux états triplets se rencontrent dans l'espace et « s'annihilent », l'énergie superposée est libérée sous la forme d'un faisceau de photons de lumière ultraviolette. Cette solution est relativement simple à mettre en œuvre dans un système liquide, car les molécules peuvent se déplacer librement dans la solution, ce qui est plus propice aux collisions triplet. Cependant, les systèmes liquides dépendent souvent de solvants toxiques et présentent des problèmes de volatilisation, ce qui rend difficile la satisfaction des besoins des applications pratiques. Par conséquent, les matériaux solides efficaces ont toujours été le « Saint Graal » dans ce domaine.

À l'état solide, les molécules sont étroitement disposées et les nuages ​​​​d'électrons π au-dessus et au-dessous du plan moléculaire sont sujets à un fort chevauchement, ce qui provoque l'extinction de l'énergie de l'état excité avant que la conversion ascendante ne soit obtenue, entraînant une baisse significative de l'efficacité lumineuse du système. Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a sélectionné la molécule semi-conductrice organique dihydroindenoindenedene (DHI) et a introduit une chaîne alkyle sur ses atomes de carbone sp3 avec un alignement tétraédrique pour contrôler avec précision l’espacement et l’orientation relative entre les molécules par obstacle stérique. Cette conception moléculaire permet aux molécules adjacentes d'être suffisamment proches pour transférer efficacement l'énergie entre les molécules, tout en restant modérément « séparées » pour éviter un surcouplage du nuage d'électrons π et le déclenchement d'une extinction des excitons.

Grâce à cette ingénierie structurelle, le nouveau matériau présente une luminescence brillante, des états excités de longue durée et un transfert d'énergie efficace à l'état solide, avec un rendement quantique de fluorescence à l'état solide supérieur à 60 %. Après couplage avec une molécule donneuse adaptée, le système a atteint une efficacité de conversion ascendante du visible vers l'UV de 1,9 % sous la lumière naturelle du soleil, ce qui signifie que sur cent photons visibles absorbés, environ deux ont finalement été convertis en photons UV. L'équipe de recherche a souligné que même si ce chiffre ne semble pas « éblouissant », il a dépassé le niveau que la plupart des systèmes similaires peuvent atteindre dans des conditions de forte intensité lumineuse sans avoir besoin d'une lumière concentrée, en s'appuyant entièrement sur la lumière naturelle du soleil et en étant un matériau solide.

En termes de perspectives d'application, l'équipe a déposé une demande de brevet pour ce matériau. La voie de synthèse de ce matériau est relativement simple et les matières premières de départ dont il dépend sont bon marché, jetant les bases d’une future préparation et industrialisation à grande échelle. Les chercheurs pensent que cette plate-forme de conversion ascendante à semi-conducteurs devrait jouer un rôle dans la photocatalyse solaire, la purification de l'air intérieur et l'impression 3D à faible intensité lumineuse, convertissant la lumière solaire ordinaire en une source de lumière ultraviolette plus « capable de traiter ».

Cette avancée est aussi l’aboutissement d’un plan de recherche qui dure depuis plus de dix ans. Dès 2012, Nobuo Kimizuka, actuellement professeur honoraire au « Centre de recherche sur les technologies d'émission négative » de l'Université de Kyushu, a commencé à explorer l'utilisation de systèmes d'auto-assemblage pour réaliser une migration d'énergie triple et une conversion ascendante de photons, dans l'espoir de donner aux matériaux de nouvelles fonctions grâce à l'auto-assemblage moléculaire. Au cours des années de recherche suivantes, il a conduit son équipe à réaliser une série de progrès dans les systèmes en solution et en gel, mais ils n'ont toujours pas réussi à surmonter la principale difficulté des systèmes à semi-conducteurs efficaces.

Le tournant se produira en mai 2024. Les étudiants diplômés Naoyuki Harada, Hayato Shoyama, Nutnicha Boonmong et Kiichi Mizukami, qui était alors professeur adjoint à la Faculté d'ingénierie de l'Université de Kyushu, et d'autres ont uni leurs forces avec Yoichi Sasaki pour intégrer des années d'accumulation de recherche en peu de temps et ont finalement achevé ce travail. Les membres de l'équipe ont rappelé qu'ils avaient remis la version finale du document au professeur Kimitsuka seulement 11 jours avant son départ à la retraite. Ce résultat constitue également un « cadeau de retraite » significatif pour le laboratoire.

Le professeur Kimitsuka a déclaré que cette découverte n'est pas seulement l'aboutissement de plus de 14 années de travaux de recherche menés par son équipe, mais marque également une nouvelle étape dans la recherche sur la conversion ascendante des photons et l'auto-assemblage moléculaire. Avec l'aide de ce nouveau système à semi-conducteurs, la vision de l'utilisation de la lumière solaire ordinaire pour obtenir une version « améliorée » de la lumière ultraviolette passe progressivement des concepts de laboratoire aux applications pratiques.