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 conformément au testament de M. Alfred Nobel pour décerner un prix « à ceux qui, au cours de l’année précédente, ont apporté le plus grand bénéfice à l’humanité » en physique, chimie, physiologie ou médecine, littérature et paix.

Un sixième prix a ensuite été créé pour les sciences économiques par la banque centrale suédoise, officiellement appelé le Prix en Sciences Économiques, souvent mieux connu sous le nom de Prix Nobel d’Économie.

La décision de déterminer à qui attribuer le prix revient à plusieurs institutions académiques suédoises.

Préoccupations liées à l’héritage

La décision de créer le Prix Nobel est venue à Alfred Nobel après qu’il ait lu son propre nécrologue, suite à une erreur d’un journal français qui avait mal compris la nouvelle du décès de son frère. Intitulé « Le Marchand de la Mort est mort », l’article français critiquait Nobel pour son invention d’explosifs sans fumée, dont la dynamite était la plus célèbre.

Ses inventions ont grandement influencé la guerre moderne, et Nobel a acheté une immense aciérie pour en faire un important fabricant d’armements. En tant que chimiste, ingénieur et inventeur, Nobel a compris qu’il ne voulait pas que son héritage soit celui d’un homme rappelé pour avoir fait fortune grâce à la guerre et à la mort d’autrui.

Prix Nobel

De nos jours, la fortune de Nobel est placée dans un fonds investi pour générer des revenus afin de financer la Fondation Nobel ainsi que la médaille verte plaquée or, le diplôme et la récompense monétaire de 11 millions de SEK (environ 1 million de dollars) attribués aux lauréats.

Source: Britannica

Souvent, l’argent du Prix Nobel est réparti entre plusieurs lauréats, notamment dans les domaines scientifiques où il est courant que 2 ou 3 figures majeures contribuent conjointement ou en parallèle à une découverte révolutionnaire.

Au fil des années, le Prix Nobel est devenu LE prix scientifique, cherchant à équilibrer découvertes théoriques et très pratiques. Il a récompensé des réalisations qui ont construit les fondations du monde moderne, comme la radioactivité, les antibiotiques, les rayons X, ou la PCR, ainsi que la source d’énergie du soleil, la charge de l’électron, la structure atomique, ou la superfluidité.

Couleurs microscopiques

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

Source: DataColors

Ces mécanismes ne fonctionnent pas de la même manière à l’échelle nanométrique. Ici, les effets quantiques modifiant la façon dont les électrons sont disposés autour du noyau d’un atome changent la façon dont un matériau absorbe la lumière. En retour, cela modifie sa couleur.

Plus précisément, cela découle de l’application de l’équation de Schrödinger (SDGR ), 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 a prédit qu’en raison de l’équation de Schrödinger, les nanoparticules se comporteraient différemment des plus grandes. Plus important encore, lorsque les particules deviennent extrêmement petites, il y a moins d’espace pour les électrons du matériau, qui sont alors comprimés les uns contre les autres.

Comme 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 donc de la compression de leurs électrons).

Passer des théories des années 1930 à la pratique a pris du temps et n’a réellement été réalisé que dans les années 1980 et 1990, grâce à trois scientifiques différents qui l’ont progressivement rendu possible.

En 2023, ils ont collectivement reçu le Prix Nobel de Chimie pour leur travail ayant conduit à la découverte des dits « points quantiques ».

Source: Nobel Prize

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

Ils pourraient devenir essentiels dans de nombreuses autres applications, de la détection du cancer avec des points quantiques infrarouges, à la création de systèmes solaires pancromatiques ou ouvrir de nouvelles options dans la fabrication électronique avec la nanophotonique.

Du verre antique à la physique quantique

À l’époque moderne, les scientifiques ont redécouvert ce que les verriers connaissaient depuis l’Antiquité: il est possible de créer un verre coloré de teintes variées en ajoutant des impuretés telles que l’argent, l’or et le cadmium.

Plus intriguant, le même élément ajouté pouvait générer différentes couleurs 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 lumineux utilisé par l’industrie des semi-conducteurs. En utilisant les rayons X, il a découvert que le verre teinté au chlorure de cuivre, produit avec des temps de chauffage différents, présentait des tailles de particules de cuivre variables, de 2 nm à 30 nm.

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

Source: Nobel Prize

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 le vide ultra‑haut et des températures proches du zéro absolu.

Yekimov publierait ses résultats dans une revue scientifique soviétique, et sa découverte n’atteindrait les scientifiques du bloc occidental qu’après la chute de l’Union soviétique. Ainsi, parallèlement, les scientifiques occidentaux faisaient également des découvertes qui mèneraient à l’invention des points quantiques.

Particules de points quantiques en suspension

ChezBell Labs aux États‑Unis, un incubateur pour 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 les particules les plus petites possibles afin de 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 s’agglomérant à partir de particules plus petites, passant de 4,5 nm à 12,5 nm.

La particule plus grande absorbait la lumière comme on s’attendrait pour le sulfure de cadmium. Mais les particules plus petites présentaient une absorption qui se décalait vers le bleu.

Source: Nobel Prize

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

Cependant, la méthode de production s’est avérée très incohérente. Non seulement les tailles finales des particules étaient presque imprévisibles, mais les solutions contenaient un mélange de plusieurs tailles.

Loin d’être un produit pur pouvant être utilisé dans d’autres technologies et à l’échelle industrielle, il restait surtout une curiosité scientifique.

Production en masse de points quantiques

Moungi Bawendi était un post‑doctorant au laboratoire de Louis Brus en 1988. Là, il a expérimenté toutes les variables possibles pour créer des points quantiques cohérents, testant les effets de différents solvants, températures et techniques. Cela a permis quelques progrès mais n’était toujours pas suffisant pour obtenir un résultat constant et reproductible.

Plus tard, en travaillant au MIT, il a finalement trouvé une recette qui fonctionnait:

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

Source: Nobel Prize

Cette méthode a abouti à un cristal de point quantique presque parfait. Plus important encore, elle était facile à utiliser, de sorte que davantage de chimistes pouvaient commencer à produire des points quantiques et à explorer leurs applications potentielles.

Un nouvel état de la matière révolutionnaire

Ce qui rend 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 dictées par le comportement des nuages d’électrons autour du noyau de chaque atome.

Source: Britannica

En modifiant la façon dont les électrons d’un élément se comportent, les points quantiques offrent essentiellement une toute nouvelle dimension au tableau périodique des éléments. Ainsi, la découverte et la production en masse de points quantiques équivaut à la découverte de matériaux entièrement nouveaux, avec de nouvelles propriétés électriques et chimiques.

Cela rappelle un peu d’autres matériaux aux propriétés uniques, comme les nanotubes ou les ensembles croissants de matériaux 2D potentiellement révolutionnaires pour la civilisation tels que le graphène, le borophène et le goldène.

Source: Ossila

Applications des points quantiques

QLED

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

Dans ce dispositif, les points quantiques transforment la lumière bleue en rouge ou vert, permettant la création d’écrans aux couleurs vives en n’utilisant qu’une seule source lumineuse (la lumière bleue est émise par une LED à lumière bleue, une découverte récompensée par le Prix Nobel en 2014, que nous avons déjà abordée).

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

Signal optique

Alors que la plupart des points quantiques aujourd’hui utilisent la solution à base de solvant de Brus & Bawendi, les cristaux incorporés découverts par Yekimov sont encore utilisés, par exemple pour l’amplification du signal dans les systèmes de communication par 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 suivre des objets au niveau microscopique.

Une telle application consiste pour les biochimistes à attacher des points quantiques à des biomolécules telles que des virus, de l’ADN ou des protéines, leur permettant de suivre leur déplacement et leur accumulation avec un simple microscope à fluorescence.

Source: Sigma Aldrich

Médecine

Grâce à leur potentiel d’imagerie, les points quantiques peuvent être utilisés pour suivre les tissus tumoraux dans le corps en liant les points quantiques à des molécules qui se lient uniquement aux cellules cancéreuses.

Source: Degruyter

Un domaine émergent de la médecine utilisant les points quantiques et leur capacité à « repérer » le cancer est la photothérapie. Dans ce cadre, les médecins utilisent les points quantiques pour absorber la lumière et produire soit de la chaleur, soit des produits chimiques réactifs entraînant la mort des cellules tumorales environnantes.

Cependant, davantage de recherches sont nécessaires pour utiliser régulièrement les points quantiques en médecine, car ils peuvent provoquer des effets secondaires indésirables, tels que des dommages aux cellules saines, la dégradation ou l’agglomération dans le corps, et une élimination insuffisante par les reins.

Catalyseurs chimiques

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

Et cela pourrait encore être l’une des principales applications 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 pour scinder l’eau en hydrogène, pour réduire le CO2 en composés hydrocarbures, et pour stimuler d’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 en catalyse

Énergie

Étant donné que les points quantiques sont en fin de compte un matériau semi‑conducteur, avec des bandes interdites variables selon leur taille, ils offrent un fort potentiel d’application dans la création de meilleures cellules solaires.

Source: Degruyter

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

Ainsi, tandis que les cellules solaires conventionnelles pourraient atteindre un rendement de conversion maximal de 30‑35 %, les cellules solaires à points quantiques ont un rendement théorique maximal de 66 % (voir ci‑dessous concernant QD Solar).

Ordinateurs quantiques

Dans la course à la création d’ordinateurs quantiques de plus en plus grands (que nous avons étudiée dans « L’état actuel de l’informatique quantique »), les points quantiques pourraient être un outil précieux.

Ils pourraient être utilisés comme composant de base de l’ordinateur, le qubit. Ou ils pourraient former des parties du système utilisé pour localiser et détecter un spin unique, ainsi que comme bonne source de photons uniques.

Étant donné que la production de points quantiques est désormais bien comprise et relativement bon marché, les conceptions qui s’appuient sur eux pourraient aider à amener les ordinateurs quantiques à une échelle de production de masse et à réduire leur coût.

Investir dans les points quantiques et la nanotechnologie

Le QLED est actuellement le plus grand marché pour les points quantiques, le conglomérat coréen géant Samsung (sa branche Samsung Electronics – SSNLF) étant le leader du marché.

Cependant, les points quantiques eux‑mêmes ne représentent qu’une petite partie de l’activité globale, l’entreprise étant également active dans toutes sortes de semi‑conducteurs (mémoire, puces, capteurs, 5G, etc.). Ainsi, les points quantiques ne constituent pas réellement le cœur de l’activité.

Vous pouvez investir dans des entreprises de points quantiques et de nanotechnologie via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, 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 nanotechnologie, vous pouvez également vous tourner vers des ETF de nanotechnologie comme le ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ou le Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) qui offriront une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur les actions de points quantiques et de nanotechnologie.

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

Entreprises de points quantiques et de nanotechnologie

1. Nanoco Group (NANO.l)

Cotée à la Bourse de Londres sous le ticker NANO, Nanoco se spécialise dans le développement et la fabrication de points quantiques et d’autres nanomatériaux.

L’entreprise est pionnière dans les 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 2021 à 2023 concernant les droits de propriété intellectuelle, qui a finalement conduit Nanoco à recevoir 90 M$ de Samsung.

Ainsi, elle offre une façon d’investir dans les points quantiques similaire à Samsung, mais avec un accent plus fort sur cette technologie en particulier.

Bien que l’entreprise se concentre principalement sur les applications LED (OLED, μLEDs, QD‑EL), elle explore également de nouveaux marchés, comme, par exemple, le marquage de sécurité pour les billets.

Source: Nanoco

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

• Reconnaissance faciale biométrique.
• Diagnostic optique (mesure 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 commerciales en 2024.

La technologie sans cadmium des points quantiques Nanoco pourrait constituer une application très solide pour les domaines médical et biotechnologique, qui sont généralement moins favorables aux points quantiques à base de métaux lourds.

2. QD Solar / 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 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’exploiter les longueurs d’onde infrarouges pour produire de l’électricité, le pérovskite étant utilisé pour absorber les photons à haute énergie du spectre visible.

Source: QD Solar

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 est réalisée grâce à l’ajout d’une couche de pérovskite en tandem avec une cellule photovoltaïque en silicium. L’« approche passive » de SunDensity implique des revêtements qui déplacent efficacement l’énergie de la lumière solaire incidente vers une gamme plus exploitable pour l’absorption par les panneaux solaires.

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

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

Source: QD Solar

La perspective de panneaux solaires à 40 % d’efficacité à venir, voire plus tard, pourrait changer la donne pour l’industrie.

Des panneaux solaires à haute efficacité et plus durables pourraient être particulièrement utiles pour des applications exigeantes comme l’énergie solaire spatiale.