Genève, 23 avril 2025 - Dr Pierrick Berruyer.

Le journal scientifique Inorganic Chemistry met en avant la recherche du groupe de Claude Piguet, professeur au sein de la Section de chimie et biochimie de l’Université de Genève (UNIGE). Sur la couverture, Lampétie et sa sœur jumelle Phæthuse, deux nymphes grecques, s’accordent une danse coordonnée. L’élégance de ce ballet est le produit d’une parfaite synchronisation du couple ; la magie de la danse s'arrête d’opérer si les partenaires se désynchronisent. À cette image, l’équipe de chercheur-es de l’Université de Genève présente une avancée significative dans le domaine de la conversion d'énergie grâce à la mise au point d’une molécule constituée de deux centres d’erbium solidement liés entre eux. En imposant une distance relativement courte, de l’ordre de 1 nm, entre les deux atomes d’erbium chargés (+3), les chercheurs orchestrent, à l’image de Lampétie et Phæthuse, une chorégraphie entre les deux centres, la relaxation croisée. En permettant un échange d’énergie entre les deux centres d’erbium identiques, la nouvelle molécule synthétisée se révèle particulièrement efficace dans l’upconversion par rapport au complexe moléculaire mono-erbium. L’upconversion, ou conversion ascendante, est un phénomène qui permet de convertir de la lumière de basse énergie en lumière de plus haute énergie. Ce phénomène est par exemple utilisé pour convertir la lumière laser infrarouge en lumière verte visible.

Créer des photons de hautes energies en absorbant des photons de basses énergies

L'upconversion est un phénomène qui permet de combiner des photons de basse énergie pour produire un photon de plus haute énergie. Ce processus nécessite l'absorption successive de deux photons pour émettre un photon de haute énergie. Comme l'explique le Prof. Piguet :

“la durée de vie des états intermédiaires est alors un paramètre primordial dans l’upconversion. Il est donc crucial de concevoir des systèmes capables de stocker l'énergie après l'absorption d'un premier photon pour permettre l'absorption d'un second photon avant la désactivation de l'intermédiaire”.

Depuis l'introduction de l'upconversion, des systèmes efficaces ont été développés. On peut citer les matériaux solides dopés aux lanthanides, qui ont trouvé des applications telles que les lasers, les cellules solaires ou encore les dispositifs d'affichage. Le développement de solutions moléculaires, particulièrement pour les applications dans les systèmes biologiques, reste un défi marqué par la courte durée de vie des états intermédiaires. Les travaux du Prof. Piguet (UNIGE) et du Prof. Charbonnière (Université de Strasbourg, ancien doctorant à l'UNIGE) ont proposé les premiers systèmes moléculaires réalisant l'upconversion en solution en combinant différents ions pour optimiser les propriétés optiques des complexes.

Un complexe bi-métallique d'Erbium 

Dans cette publication à la couverture de Inorganic Chemistry, le concept proposé se base sur l’association d’ions identiques : deux complexes erbium(III) sont liés l’un à l’autre par un lien moléculaire assez court d’environ 1 nm. La Dre Inès Taarit, co-autrice correspondante de l’étude, explique :

“la faible distance entre les deux atomes d’erbium permet de coupler ces derniers afin qu’ils échangent de l’énergie par un phénomène dit de relaxation croisée”.

Ainsi, lorsqu’un photon est absorbé par un des ions erbium, l'énergie peut être transférée à l'autre ion avant que l'état intermédiaire ne se désactive. Cette approche permet de prolonger la durée de vie des états intermédiaires et d'augmenter l'efficacité de la conversion d'énergie. Les chercheurs montrent une amélioration d’un facteur 100 de l’efficacité de l’upconversion pour le complexe bi-métallique en comparaison au complexe mono-métallique.

Ces avancées continuent de faire progresser la connaissance dans le domaine de l’upconversion et des applications optiques et technologiques qui en découlent. En proposant une nouvelle approche moléculaire, les chercheurs explorent une solution qui semblait impossible au premier abord. À l'image des pôles identiques des aimants qui se repoussent, la coexistence des charges positives portées par les atomes d’erbium paraissait incompatible. Cependant, l'expérience démontre finalement le contraire et permet d’introduire la relaxation croisée comme un mécanisme exploitable dans le domaine de l’upconversion moléculaire.