Une lumière blanche pure et stable grâce à un dysprosium encapsulé

Publié par Adrien le 22/09/2020 à 09:00
Source: CNRS INC
Les sources lumineuses blanches actuelles, comme les LEDs, ont tendance à osciller entre différentes variations de teintes, ce qui fausse la perception de l'oeil humain. Cette limitation peut s'avérer très handicapante, voire dangereuse, lors d'opérations chirurgicales ou dans le travail des graphistes et des artistes.


La couleur change selon la configuration de la metallacouronne. © Svetlana Eliseeva

Des chercheurs du Centre de Biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'intérêt biologique.) Moléculaire d'Orléans (CBM, CNRS) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures)....) du Michigan (États-Unis) ont développé un nouveau système, à base d'atomes de dysprosium (Le dysprosium est un élément chimique, de symbole Dy et de numéro atomique 66.) et de métallacouronnes, qui donne une lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) exactement blanche et qui ne varie pas en fonction des conditions d'usure ou de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...). Dans ces travaux, publiés dans le Journal of the American Chemical Society, le dysprosium a pu être inséré au centre d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) en forme de couronne, qui renforce la stabilité de la lumière et permet de l'ajuster selon les besoins.

Dans les lampes actuelles et les différents systèmes d'éclairage, la lumière blanche provient généralement de la combinaison (Une combinaison peut être :) de différentes couleurs émises par plusieurs matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.). Comme chacun d'entre eux comporte un risque de varier un peu, principalement à cause de l'usure ou de changements de température, il est ardu d'obtenir et de conserver un blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre...) parfaitement pur. Ce standard de blanc, défini en 1931 par la Commission Internationale de l'Éclairage (ou CIE), sert de référence sous laquelle l'oeil humain perçoit les autres couleurs sans qu'elles ne soient faussées. Cela aide par exemple les chirurgiens à mieux utiliser leur expérience des couleurs pour reconnaître certains tissus, organes et anomalies. Si l'éclairage n'est pas toujours le même, leurs perceptions deviennent plus difficilement transposables d'une opération à l'autre car d'infimes nuances seront plus dures à reconnaître.

Différents métiers artistiques, comme graphiste ou photographe, apprécient également les sources de lumière fiables. Les atomes de la famille des lanthanides sont d'excellents candidats pour ces applications, car leur structure électronique très stable les rend peu sensibles aux conditions extérieures. Des chercheurs du Centre de Biophysique Moléculaire d'Orléans (CBM, CNRS) et de l'Université du Michigan (États-Unis) ont utilisé un lanthanide (L’UICPA définit comme lanthanide tout élément chimique parmi les quinze de numéros atomiques compris entre 57 (lanthane) et 71 (lutécium). Ce terme est plus ou moins synonyme de l’ancienne...), le dysprosium, pour obtenir une luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui elle est chaude.) précise à partir d'un seul composé, qu'ils peuvent ajuster pour la rendre parfaitement blanche.

Pour atteindre ce but, chaque atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un noyau...) de dysprosium est inséré dans une metallacouronne, une imposante molécule extrêmement rigide. Enchâssé dans cette couronne protectrice, le dysprosium émet en simultané trois longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) dans le domaine visible, dont la combinaison forme différentes teintes du blanc. Les chercheurs ont constaté, en étudiant les échantillons par analyse structurale monocristalline, que les changements de symétrie autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) du dysprosium dans la metallacouronne modifiaient la couleur. Ils ont exploité ce phénomène pour identifier la configuration qui permet au dysprosium de générer un blanc parfait. Comme le dysprosium est la seule source de lumière, il y a moins de paramètres à contrôler pour conserver la même couleur que dans le cas où plusieurs matériaux sont employés en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). La formation de la metallacouronne désirée est elle-même relativement simple et reproductible, car une grande partie se met en place toute seule, par autoassemblage.

Référence:
Svetlana V. Eliseeva, Elvin V. Salerno, Beatriz A. Lopez Bermudez, Stephane Petoud and Vincent L. Pecoraro. Dy3+ White Light Emission Can Be Finely Controlled by Tuning (Le terme tuning se rapporte à la personnalisation d'un véhicule routier (automobile, motocyclette, camionnette) de série. Il se caractérise en général, par l'installation...) the First Coordination Sphere of Ga3+/Dy3+ Metallacrown Complexes. J. Am. Chem. Soc. 2020.
https://doi.org/10.1021/jacs.0c07198
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