Investir dans les réalisations du prix Nobel – Points quantiques et nanocouleurs

Histoire du prix Nobel

Le prix Nobel est la récompense la plus prestigieuse du monde scientifique. Il a été créé selon Le testament de M. Alfred Nobel donner un prix "à ceux qui, au cours de l'année précédente, ont apporté le plus grand bien à l'humanité» en physique, chimie, physiologie ou médecine, littérature et paix.

Un sixième prix sera ensuite créé pour les sciences économiques par la banque centrale suédoise, officiellement appelé Prix des sciences économiques, souvent mieux connu sous le nom de prix Nobel d'économie.

La décision de savoir à qui attribuer le prix appartient à plusieurs institutions universitaires suédoises.

Préoccupations héritées

La décision de créer le prix Nobel est venue à Alfred Nobel après avoir lu sa propre nécrologie, suite à une erreur d'un journal français qui avait mal interprété la nouvelle du décès de son frère. Intitulé « Le marchand de mort est mort », l'article français fustigeait Nobel pour son invention des explosifs sans fumée, dont la dynamite était le plus célèbre.

Ses inventions ont eu une grande influence dans l’élaboration de la guerre moderne, et Nobel a acheté une immense usine sidérurgique pour en faire un important fabricant d’armements. Comme il était d'abord chimiste, ingénieur et inventeur, Nobel s'est rendu compte qu'il ne voulait pas que son héritage soit celui d'un homme dont on se souvient avoir fait fortune grâce à la guerre et à la mort des autres.

Prix ​​Nobel

De nos jours, la fortune du Nobel est conservée dans un fonds investi pour générer des revenus afin de financer la Fondation Nobel et la médaille d'or vert plaqué or, le diplôme et la récompense monétaire de 11 millions de SEK (environ 1 million de dollars) attribués aux lauréats.

Source: Britannique

Souvent, l'argent du prix Nobel est partagé entre plusieurs lauréats, notamment dans les domaines scientifiques où il est courant que 2 ou 3 personnalités contribuent ensemble ou en parallèle à une découverte révolutionnaire.

Au fil des années, le prix Nobel est devenu LE prix scientifique, tentant de trouver un équilibre entre découvertes théoriques et découvertes très pratiques. Il a récompensé des réalisations qui ont jeté les bases du monde moderne, comme radioactivité, antibiotiques, Rayons X, ou  PCR, ainsi que la science fondamentale, comme la source d'énergie du soleil, le charge électronique, structure atomique, ou superfluidité.

Couleurs microscopiques

Dans la vie quotidienne, les objets ont des couleurs spécifiques en raison de leurs propriétés intrinsèques dans la manière dont ils interagissent avec la lumière. La lumière du soleil contient un spectre de couleurs, et lorsque certaines couleurs sont absorbées, cela nous donne différentes couleurs réfléchies.

Source: Couleurs de données

Ces mécanismes ne fonctionnent pas de la même manière à l'échelle nanométrique. Ici, les effets quantiques modifiant la disposition des électrons autour du noyau atomique modifient la façon dont un matériau absorbe la lumière. Cela modifie alors sa couleur.

Plus précisément, cela découle de l'application du Équation de Schrödinger, qui prédit le comportement des particules à l’échelle quantique, où elles sont à la fois une onde et une particule.

En 1937, le physicien Herbert Fröhlich prédisait qu’en raison de l’équation de Schrödinger, les nanoparticules se comporteraient différemment des plus grosses. Plus important encore, lorsque les particules deviennent extrêmement petites, il y a moins d'espace pour les électrons du matériau, ils sont donc serrés les uns contre les autres.

Étant donné que l'interaction de la lumière avec les électrons d'un matériau détermine sa couleur, cela prédit que les effets quantiques pourraient modifier la couleur des nanoparticules en fonction de leur taille (et, par conséquent, de la façon dont leurs électrons sont « comprimés »).

Passer des théories des années 1930 à la pratique prendrait du temps et ne serait véritablement réalisé que dans les années 1980 et 1990, grâce à trois scientifiques différents qui rendront progressivement cela possible.

En 2023, ils ont reçu collectivement le prix Nobel de chimie pour leurs travaux qui ont conduit à la découverte de ce que l'on appelle les « points quantiques »..

Source: Prix ​​Nobel

Aujourd’hui, les points quantiques sont utilisés dans la fabrication de médicaments, d’écrans et de QLED, représentant un marché de 4 milliards de dollars en 2021.

Ils pourraient devenir cruciaux dans de nombreuses autres applications, de la détection du cancer avec des points quantiques infrarouges, to créer des systèmes solaires panchromatiques ou ouvert de nouvelles options dans la fabrication électronique avec la nanophotonique.

Du verre ancien à la physique quantique

À l’ère moderne, les scientifiques ont redécouvert quelque chose que les verriers savaient depuis l’Antiquité : il est possible de créer un verre coloré de différentes couleurs en ajoutant des impuretés dans le verre comme de l’argent, de l’or et du cadmium.

Plus intrigant encore, le même élément ajouté pouvait générer des couleurs différentes selon la façon dont le verre était chauffé et refroidi.

Aleksey Yekimov, le premier lauréat de ce prix Nobel, a commencé à analyser le verre coloré avec un outil d'analyse de la lumière utilisé par l'industrie des semi-conducteurs. En utilisant les rayons X, il a découvert que le verre teinté avec du chlorure de cuivre produit avec différents temps de chauffage aurait des tailles de particules de cuivre variables, de 2 nm à 30 nm.

Un phénomène fascinant était que si les grosses particules de cuivre agissaient « normalement », plus elles étaient petites, plus la lumière qu’elles absorbaient était bleue.

Source: Prix ​​Nobel

Ce n’était pas la première fois qu’un tel effet quantique dépendant de la taille était observé, mais c’était la première fois qu’il était produit avec un processus de fabrication relativement simple, au lieu de conditions extrêmes comme l’ultra-vide et des températures proches du zéro absolu.

Yekimov publiera ses résultats dans une revue scientifique soviétique, et sa découverte ne parviendra aux scientifiques du bloc occidental qu’à la chute de l’Union soviétique. Ainsi, en parallèle, les scientifiques occidentaux faisaient également des découvertes qui mèneraient à l’invention des points quantiques.

Particules de points quantiques en suspension

At Les Bell Labs aux États-Unis, incubateur d'au moins 10 prix Nobel, Louis Brus a étudié comment utiliser l'énergie solaire pour produire des réactions chimiques. Il a utilisé des particules de sulfure de cadmium dans une solution et a produit des particules aussi petites que possible pour maximiser la surface de réaction.

Ce qu’il a remarqué, c’est que l’absorption lumineuse de ces particules changeait avec le temps. Après enquête, il a découvert qu'elles grandissaient au fil du temps en agglomérant des particules plus petites, passant de 4.5 nm à 12.5 nm.

La plus grosse particule absorbait la lumière de la même manière que l’on s’attendrait à ce que le sulfure de cadmium le fasse. Mais les particules plus petites avaient une absorption qui se déplaçait vers le bleu.

Source: Prix ​​Nobel

Les particules en suspension colloïdale dans un liquide utilisé par Louis Brus étaient potentiellement beaucoup plus utiles que celles enfermées dans le verre de Yekimov, car elles pourraient être plus faciles à produire et à raffiner en masse.

Cependant, la méthode de production s’est révélée très incohérente. Non seulement la taille finale des particules était presque imprévisible, mais les solutions contenaient un mélange de plusieurs tailles.

Loin d’être un pur produit utilisable dans d’autres technologies et à l’échelle industrielle, il s’agissait encore avant tout d’une curiosité scientifique.

Production de masse de points quantiques

Moungi Bawendi était postdoctorant au laboratoire de Louis Brus en 1988. Il y a expérimenté toutes les variables possibles pour créer des points quantiques cohérents, en testant les effets de différents solvants, températures et techniques. Ces travaux ont permis des progrès, mais n'étaient pas encore suffisants pour obtenir un résultat cohérent et reproductible.

Plus tard, alors qu'il travaillait au MIT, il a finalement trouvé une recette qui a fonctionné :

• Ils ont injecté dans le solvant exactement autant de substances que nécessaire pour saturer précisément la solution.
  • Cela a conduit à la formation simultanée de minuscules « embryons » de cristaux.
  • L’injection plus froide a permis d’arrêter immédiatement la formation des cristaux.
• Ils ont ensuite progressivement augmenté la température, permettant ainsi la formation de cristaux de plus en plus gros.
  • Cette étape a permis au solvant de donner aux cristaux une surface lisse et uniforme, améliorant ainsi les propriétés optiques résultantes.

Source: Prix ​​Nobel

Cette méthode a abouti à un cristal à points quantiques presque parfait. Plus important encore, il était facile à utiliser, ce qui permettait à davantage de chimistes de commencer à produire des points quantiques et à étudier des applications potentielles.

Un nouvel état de la matière révolutionnaire

Ce qui a rendu les points quantiques si impressionnants, c'est qu'ils ont complètement changé la façon dont nous pouvons utiliser le tableau périodique des éléments.

Dans le tableau périodique de Mendeleïev, les éléments sont classés selon leur masse atomique et leurs propriétés chimiques. Ces propriétés sont principalement déterminées par le comportement des nuages ​​d'électrons autour du noyau de chaque atome.

Source: Britannique

En modifiant le comportement des électrons d'un élément, les points quantiques ont donné une toute nouvelle dimension au tableau périodique des éléments. La découverte et la production en masse de points quantiques s'apparentent donc à la découverte de matériaux entièrement nouveaux, dotés de propriétés électriques et chimiques inédites.

Cela rappelle un peu d'autres matériaux aux propriétés uniques, comme les nanotubes ou la gamme croissante de matériaux 2D potentiellement révolutionnaires pour la civilisation, comme le graphène, le borophène et le goldene.

Source: Ossila

Applications de points quantiques

QLED

L’une des plus grandes applications actuelles des points quantiques est la technologie QLED (Quantum dot LED).

Dans celui-ci, des points quantiques transforment la lumière bleue en rouge ou en vert, permettant la création d'écrans aux couleurs vives en utilisant une seule source de lumière (la lumière bleue est émise par la LED à lumière bleue, une découverte récompensée par un prix Nobel en 2014, dont nous avions déjà parlé).

Les points quantiques sont également utilisés pour améliorer la lumière des LED en transformant la lumière plus froide en une couleur plus agréable.

Signal optique

Alors que la plupart des points quantiques utilisent aujourd'hui la solution à base de solvant de Brus & Bawendi, les cristaux intégrés découverts par Yekimov sont toujours utilisés, par exemple pour l'amplification du signal dans les systèmes de communication à fibre optique.

Les points quantiques produits par une autre méthode ont été découverts plus tard (Méthode de croissance Stranski-Krastanov) et sont, par exemple, utilisés dans les lasers à points quantiques pour la communication optique.

Biochimie

En raison de leurs couleurs très uniques et distinctives, les points quantiques peuvent être utilisés comme marqueurs pour retrouver des objets au niveau microscopique.

L'une de ces applications consiste pour les biochimistes à attacher des points quantiques à des biomolécules telles que des virus, de l'ADN ou des protéines, leur permettant ainsi de suivre leur mouvement et leur accumulation avec un simple microscope à fluorescence.

Source: Sigma Aldrich

médicament

En raison de leur potentiel d’imagerie, les points quantiques peuvent être utilisés pour suivre les tissus tumoraux dans le corps en les liant aux molécules se liant uniquement aux cellules cancéreuses.

Source: Degruyter

La photothérapie est un domaine émergent de la médecine utilisant les points quantiques et leur capacité à « détecter » le cancer. Dans ce document, les médecins ont utilisé les points quantiques pour absorber la lumière et produire de la chaleur ou des produits chimiques réactifs provoquant la mort des cellules tumorales environnantes.

Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour utiliser systématiquement les points quantiques en médecine, car ils peuvent provoquer des effets secondaires indésirables, comme endommager les cellules saines, se dégrader ou s'agglomérer dans le corps et être mal éliminés par les reins.

Catalyseurs chimiques

La découverte des points quantiques a commencé avec la recherche par Louis Brus de meilleurs catalyseurs, des composés capables d'accélérer ou de rendre possibles des réactions chimiques autrement lentes.

Et cela pourrait encore être une application clé des points quantiques, grâce à leur capacité à absorber la lumière pour alimenter des réactions chimiques qui ne se produiraient pas autrement.

Source: ACS

Cela pourrait être utilisé diviser l'eau en hydrogène, réduire le CO2 en composés d'hydrocarbures, et booster autres réactions chimiques.

Les nanotubes de carbone, le fullerène et le graphène sont des points quantiques de carbone fréquemment utilisés comme photocatalyseurs en raison de leurs propriétés avancées telles que la solubilité dans l'eau, la photoluminescence réglable, la faible toxicité biologique et la facilité de fonctionnalisation de surface.

Points quantiques : applications de catalyse

Énergie

Étant donné que les points quantiques sont en fin de compte un matériau semi-conducteur, avec des bandes interdites variables en fonction de leur taille, ils ont un fort potentiel d'application pour créer de meilleures cellules solaires.

Source: Degruyter

Le principal avantage que les points quantiques apporteraient aux cellules solaires est qu'ils pourraient élargir le spectre solaire qui peut être converti en énergie (les cellules solaires en silicium ne convertissent en énergie que les photons les plus énergétiques, « manquant » 70 à 75 % de l'énergie du Soleil).

Ainsi, alors que les cellules solaires conventionnelles sont susceptibles d’atteindre un rendement de conversion maximum de 30 à 35 %, les cellules solaires à points quantiques ont un rendement maximum théorique de 66 % (voir ci-dessous à propos de QD Solar).

Ordinateurs Quantum

Dans la course pour créer des ordinateurs quantiques de plus en plus grands (que nous avons étudiés dans «L'état actuel de l'informatique quantique“), les points quantiques pourraient être un outil précieux.

Ils pourraient être utilisé comme composant de base de l'ordinateur, le Qubit. Ou ils pourraient faire partie du système utilisé pour localiser et détecter un spin unique, tout en étant une bonne source de photons uniques.

La production de points quantiques étant désormais bien comprise et relativement peu coûteuse, les conceptions qui en dépendent pourraient contribuer à amener les ordinateurs quantiques à une échelle de production de masse et à réduire leur prix.

Investir dans les points quantiques et les nanotechnologies

QLED constitue actuellement le plus gros marché des points quantiques, avec le conglomérat géant coréen Samsung (sa branche Samsung Electronics – SSNLF) le leader du marché.

Cependant, les points quantiques eux-mêmes ne représentent qu’une part relativement petite de l’activité globale, l’entreprise étant également active dans toutes sortes de semi-conducteurs (mémoire, puces, capteurs, 5G, etc.). Les points quantiques ne constituent donc pas vraiment le cœur de l’activité.

Vous pouvez investir dans des sociétés de points quantiques et de nanotechnologies par l'intermédiaire de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur titres.io, nos recommandations des meilleurs courtiers en Etats-Unis, Canada, Australie, au Royaume-Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.

Si vous n'êtes pas intéressé par la sélection d'entreprises de points quantiques et de nanotechnologies, vous pouvez également vous tourner vers les ETF de nanotechnologie comme le FNB ProShares nanotechnologie (MINUSCULE) ou la FNB Direxion Nanotechnologie (TYNE) ce qui offrira une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur les points quantiques et les actions nanotechnologiques.

Ou vous pouvez consulter notre liste des «Top 10 des actions de nanotechnologie ».

Entreprises de points quantiques et de nanotechnologies

1. Groupe Nanoco (NANO.l)

Cotée à la Bourse de Londres sous le symbole NANO, Nanoco est spécialisée dans le développement et la fabrication de points quantiques et d'autres nanomatériaux.

La société est pionnière dans le domaine des points quantiques sans cadmium, avec 375 brevets et un partenariat de licence avec Samsung. Cela a mis fin à un litige de deux ans avec Samsung de 2 à 2021 concernant les droits de propriété intellectuelle, qui a finalement permis à Nanoco de recevoir 2023 millions de dollars de Samsung.

Cela peut donc constituer un moyen d’investir dans des points quantiques similaire à celui de Samsung, mais en mettant davantage l’accent sur cette technologie en particulier.

Si l'entreprise se concentre principalement sur les applications LED (OLED, μLED, QD-EL), elle étudie également de nouveaux marchés, comme par exemple l'étiquetage de sécurité pour les factures.

Source: Nanoco

Un autre secteur dans lequel l'entreprise investit est celui des points quantiques infrarouges, avec Heatwave. Cela devrait permettre des capteurs infrarouges très précis. Parmi les applications possibles figurent :

• Reconnaissance faciale biométrique.
• Diagnostic optique (mesures des niveaux d'O2, de bilirubine et de glucose).
• LIDAR
• Vision nocturne.

L’entreprise commence seulement à commercialiser sa technologie avec deux commandes de production commerciale en 2024.

La technologie sans cadmium des points quantiques de Nanoco pourrait constituer une application très solide pour les applications médicales et biotechnologiques, qui sont généralement moins accueillantes pour les points quantiques à base de métaux lourds.

2. QD Solaire / SunDensity Canada

QD Solar, développeur de panneaux solaires à points quantiques et leader dans cette technologie, a récemment été racheté par SunDensity Canada, un producteur de panneaux solaires.

Cette acquisition pourrait changer la donne dans le domaine de la technologie solaire.

D’une part, la technologie solaire QD permet une plus grande efficacité grâce à l’utilisation de points quantiques. Cela permet au panneau d'utiliser la longueur d'onde infrarouge pour produire de l'électricité, la pérovskite étant utilisée pour absorber les photons à haute énergie du spectre visible.

Source: QD Solaire

D'autre part, la technologie SunDensity utilise des nano-revêtements spéciaux pour protéger les panneaux solaires de la dégradation induite par les UV, au lieu de convertir la lumière UV en davantage d'électricité.

L'approche active de QD Solar repose sur l'ajout d'une couche de pérovskite associée à une cellule photovoltaïque en silicium. L'approche passive de SunDensity repose sur des revêtements qui transfèrent efficacement l'énergie solaire incidente vers une plage plus exploitable pour l'absorption des panneaux solaires.

Les technologies sont complémentaires avec le potentiel d’atteindre plus de 40 % d’efficacité des modules lorsqu’elles sont combinées.

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Ainsi, la combinaison de l’utilisation dans le même panneau solaire de pérovskite (photons visibles à haute énergie), de nano-revêtements (lumière UV) et de points quantiques (photons infrarouges) pourrait permettre d’obtenir l’efficacité maximale possible d’un panneau solaire.

Source: QD Solaire

La perspective des prochains panneaux solaires à efficacité de 40 % et encore plus plus tard pourrait changer la donne pour l’industrie.

Des panneaux solaires à haut rendement et plus durables pourraient être particulièrement utiles pour des applications exigeantes telles que énergie solaire spatiale.