Le développement de points quantiques remporte le prix Nobel de chimie 2023.

Les travaux sur de minuscules points qui éclairent les écrans de télévision et aident les médecins à voir les vaisseaux sanguins qui alimentent les tumeurs ont valu à trois scientifiques le prix Nobel de chimie 2023.

Le chimiste Moungi Bawendi, le chimiste Louis Brus et le physicien Alexei Ekimov se sont partagé le prix pour la découverte et la synthèse des points quantiques, a annoncé l'Académie royale des sciences de Suède le 4 octobre.

"Les points quantiques constituent une nouvelle classe de matériaux, différents des molécules", a déclaré Heiner Linke, membre du comité Nobel. Le simple ajustement de la taille de ces nanoparticules, d’environ quelques milliardièmes de mètre de diamètre, peut modifier leurs propriétés – optiques, électriques, magnétiques, voire leur point de fusion – grâce à la mécanique quantique (SN : 29/06/15).

C’est également vrai pour la couleur. "Si vous voulez créer différentes couleurs avec des molécules, vous choisirez une nouvelle molécule, un nouvel ensemble d'atomes" disposés dans une structure différente, a déclaré Linke. Mais les points quantiques de couleurs différentes ont exactement la même disposition d’atomes. La seule différence réside dans la taille des particules.

Lorsque les points quantiques sont irradiés par la lumière, les électrons qu’ils contiennent sont excités, libérant finalement cette énergie sous forme de lumière fluorescente. Plus les points sont petits, plus ils compriment la fonction d’onde d’un électron, augmentant ainsi son énergie de sorte que le point apparaisse bleu. Les points plus gros apparaissent en rouge.

Des points de même taille fabriqués à partir de matériaux différents peuvent également émettre des longueurs d'onde de lumière légèrement différentes, explique Jean-Marc Pécourt, chimiste à la CAS, une division de l'American Chemical Society. Les points quantiques sont généralement constitués de matériaux semi-conducteurs, tels que le graphène, le sélénite ou les sulfures métalliques, explique Pecourt. Ainsi, en ajustant les matériaux ou la taille des points quantiques, les chimistes peuvent modifier leurs propriétés pour une grande variété d’utilisations.

L’idée selon laquelle la taille de ces nanoparticules pourrait modifier leurs propriétés était prédite il y a près d’un siècle, mais il semblait alors impossible de reproduire cet effet dans le monde réel. Pour ce faire, les chercheurs auraient besoin d’un matériau parfaitement cristallin et devraient contrôler très précisément la taille du nanomatériau, en le sculptant couche par couche d’atomes.

Puis, au début des années 1980, Ekimov et Brus ont montré indépendamment que cela était possible. Ekimov, maintenant chez Nanocristals Technology, Inc., à Briarcliff Manor, New York, l'a démontré dans le verre, en ajoutant du chlorure de cuivre pour produire de minuscules cristaux et en révélant que la couleur du verre était liée à la taille de ces cristaux. Brus, de l'Université de Columbia, a fait une découverte similaire, mais dans un contexte différent : il a démontré le lien entre la taille et la couleur des nanoparticules flottant librement dans une solution et dans des composés gazeux (SN : 10/3/92).

Ces découvertes ont suscité un vif intérêt quant à la manière d’exploiter ces petits points pour diverses applications. Mais leur fabrication nécessiterait de pouvoir contrôler la taille des particules selon des spécifications précises.

Une décennie plus tard, Bawendi, du MIT, a développé une méthode pour contrôler avec précision la vitesse de croissance des cristaux dans une solution, en trouvant comment les arrêter dès qu'ils atteignent la taille souhaitée. Il l'a fait en injectant d'abord des réactifs chimiques dans la solution qui formaient instantanément les minuscules cristaux, puis en ajustant rapidement la température de la solution, stoppant ainsi leur croissance.

"Je suis profondément honoré, surpris et choqué par l'annonce de ce matin", a déclaré Bawendi le 4 octobre lors d'une conférence de presse au MIT. « Je suis particulièrement honoré de partager cela avec Lou Brus, qui a été mon mentor postdoctoral [from] et qui m’a tant appris. J’ai moi-même essayé d’imiter son érudition et son style de mentorat en tant que professeur lorsque je suis arrivé au MIT.

Bawendi a commencé à travailler sur les points quantiques après avoir rencontré Brus aux Nokia Bell Labs, dont le siège est à Murray Hill, dans le New Jersey. Les chercheurs avaient besoin de points quantiques de haute qualité pour étudier la physique des nanoparticules, a déclaré Bawendi. "Ce n'était pas parce que je voulais créer les meilleurs points quantiques possibles pour les appliquer, c'était parce que nous devions créer les meilleurs points quantiques possibles pour les étudier." Il a fallu des années d’essais et d’erreurs pour élaborer la méthode, a-t-il déclaré.

En permettant de fabriquer des points quantiques, la méthode de Bawendi a ouvert un monde d’utilisations possibles pour les nanoparticules. Les points quantiques permettent de changer très précisément la couleur des lumières LED et d’améliorer considérablement leur efficacité. Les points qui brillent avec une lumière fluorescente, injectés dans le corps et attachés aux cellules immunitaires qui pullulent vers les tissus cancéreux, peuvent aider les chirurgiens à distinguer même les tumeurs difficiles à voir (SN : 8/3/04). La capacité d’être réglée pour absorber différentes longueurs d’onde de lumière pourrait également permettre la fabrication de cellules solaires personnalisées très efficaces dans différentes conditions d’éclairage. Les points pourraient également être utilisés pour construire des ordinateurs quantiques, explique Pecourt (SN : 14/02/18).

L'ingénieur biomédical et chimiste Warren Chan estime que ce prix est bien mérité. « Ce sont eux qui ont bâti les fondations », explique Chan, de l'Université de Toronto. "Je suis vraiment heureux que ce domaine soit reconnu pour avoir réellement changé le monde, pas seulement dans le domaine des points quantiques, mais dans de nombreux domaines différents."

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L'une des premières applications est survenue à la fin des années 1990, lorsque Chan et ses collègues ont utilisé des points quantiques pour marquer les cellules en laboratoire, explique-t-il. "Les modifications de surface utilisées pour intégrer des points quantiques pour des applications ont ensuite également été adaptées à d'autres types de nanoparticules."

Le comité Nobel examine non seulement les contributions passées, mais également l'effet qu'une découverte pourrait avoir sur l'avenir, explique Chan. La possibilité d’ajuster les nanoparticules en modifiant leur taille ou leurs propriétés de surface pourrait ouvrir une grande variété de possibilités qui n’ont pas encore été explorées. Chan et ses collègues utilisent désormais des points quantiques pour détecter des maladies infectieuses, notamment le VIH, la grippe et l'hépatite B.

«J'étais absolument ravie de voir cela», déclare Judith Giordan, présidente de l'American Chemical Society. "Nous avons trois personnes reconnues qui ont fait passer cette technologie d'un rêve, d'un espoir, d'une construction théorique… jusqu'à la synthèse et la fabrication."

Plus tôt cette semaine, le développement de vaccins à ARNm – largement spéculé comme candidat au prix Nobel de chimie 2023 – a plutôt reçu le Nobel de médecine ou de physiologie (SN : 10/2/23).

« Parfois, la chimie a une mauvaise réputation », dit Giordan. "Mais voici deux magnifiques exemples de la façon dont la chimie a résolu des problèmes dans le monde."

Les trois gagnants se partageront le prix de 11 millions de couronnes suédoises, soit environ 1 million de dollars.

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