PRIX NOBEL DE CHIMIE 2023

L’apport de la chimie colloïdale dans l’histoire des boîtes quantiques

En parallèle des travaux d’Alexeï Ekimov, Louis Brus, travaillant aux laboratoires américains Bell, cherche à développer la fabrication de nanoparticules dans un liquide et non pas dans un verre. Il réalise ainsi une synthèse colloïdale de boîtes quantiques de sulfure de cadmium (CdS). Ces particules sont obtenues en mélangeant deux émulsions d’eau dans l’huile : l’une contenant un précurseur de Cd²⁺, l’autre un précurseur de S^2–. Une fois mises en contact, ces deux émulsions conduisent à la formation de boîtes quantiques de CdS d’une taille de 4,5 nm de diamètre. Du fait de leur faible masse et des interactions avec la solution, les nanoparticules sont dispersées dans le liquide, le tout étant appelé suspension colloïdale. Toutefois, ces particules sont instables, grossissant au cours du temps par dissolution des particules initiales et recristallisation en de plus grosses. Louis Brus et ses collaborateurs observent un changement des propriétés optiques des suspensions colloïdales, qu’ils attribuent à un effet quantique lié à la taille des particules et aux interactions électrostatiques entre les électrons et les trous.

Après avoir effectué un postdoctorat avec Louis Brus, Moungi Bawendi, qui a rejoint le Massachusetts Institute of Technology (MIT) en 1990, révolutionne les méthodes de fabrication de ces boîtes quantiques colloïdales en montrant qu’il est possible de les synthétiser par décomposition chimique de précurseurs organométalliques dans un solvant à haut point d’ébullition. En injectant rapidement la solution froide de précurseurs dans le solvant préalablement chauffé, l’augmentation soudaine de la quantité de produits issus de la dégradation thermique des précurseurs au-delà de la saturation entraîne la formation des premiers germes des boîtes quantiques. Cette étape de nucléation s’accompagne d’une diminution de la température (due à la dilution engendrée par l’ajout des réactifs) et de la quantité de réactifs moléculaires. Par la suite, en faisant varier la température de croissance de ces boîtes quantiques, Moungi Bawendi réussit à contrôler leur taille. Après purification, les boîtes quantiques recouvertes de molécules qui leur confèrent leur stabilité colloïdale sont suspendues dans un solvant apolaire (non miscible avec l’eau). La lumière de ces boîtes quantiques obtenues à partir de séléniure de cadmium (CdSe) est bleue ou rouge selon que leur taille est, respectivement, de 2 nm ou 8 nm de diamètre.