Publié le 6 décembre 2025 à 02h32. Des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa ont développé une nouvelle méthode pour observer les mécanismes de dégradation des matériaux organiques sous l’effet du soleil, ouvrant la voie à une meilleure compréhension de la longévité des plastiques, des peintures et des cellules solaires.
- Une nouvelle technique de spectroscopie permet de détecter l’accumulation lente de charges électriques dans les matériaux organiques, un processus qui prend des années.
- Les chercheurs ont identifié des voies de génération de charges jusqu’alors négligées, notamment l’ionisation multiphotonique.
- Cette avancée pourrait améliorer la conception des cellules photovoltaïques, des diodes électroluminescentes organiques (OLED) et la résistance des matériaux aux intempéries.
Pourquoi les plastiques deviennent-ils cassants et la peinture se décolore-t-elle avec le temps lorsqu’ils sont exposés au soleil ? La réponse réside dans un phénomène de photodégradation, connu depuis longtemps, où l’énergie solaire crée des radicaux libres, des molécules instables qui réagissent avec leur environnement. Cependant, les détails précis de la manière dont cette énergie est stockée et libérée sur de longues périodes restaient un mystère, faute de méthodes d’observation adaptées.
Les techniques de spectroscopie existantes, capables d’analyser les niveaux d’énergie des électrons à l’échelle de la femtoseconde (10-15 seconde) à la milliseconde (10-3 seconde), se sont avérées insuffisantes pour étudier des processus qui s’étendent sur des années. Ce manque de données a freiné les progrès en optique appliquée et théorique.
L’équipe de l’Unité d’Optoélectronique Organique de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa (OIST) a relevé ce défi en développant une nouvelle méthodologie capable de détecter ces signaux faibles. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Science Advances.
« Nous pouvons désormais capturer les mécanismes exacts de faible accumulation de charges », explique le professeur Ryota Kabe. « Cela peut nous aider à mieux comprendre les caractéristiques fondamentales de l’excitation dans les matériaux organiques et permet des mesures beaucoup plus précises de la faible accumulation de charges, comme dans le photovoltaïque, l’OLED et la photodégradation. »
Ryota Kabe, professeur à l’OIST
Le processus d’absorption de la lumière et de génération de charges électriques est crucial dans de nombreux domaines. Lorsqu’un matériau est exposé à un rayonnement ultraviolet intense, des électrons peuvent être éjectés de leurs orbites, un principe fondamental de la spectroscopie photoélectronique.
Cependant, les systèmes à deux composants, comme les cellules solaires, utilisent une approche différente. Ils combinent des matériaux donneurs et accepteurs d’électrons pour générer des charges même sous une lumière visible moins énergétique. Dans ce cas, l’excitation de la molécule donneuse permet à un électron de se déplacer vers l’accepteur, créant ainsi une charge libre à l’interface entre les deux matériaux.
Jusqu’à présent, on pensait que ces charges libres disparaissaient rapidement par recombinaison, ne pouvant être observées que sur de très courtes périodes. Les chercheurs de l’OIST ont démontré que les signaux provenant de ces charges accumulées peuvent être détectés sur des échelles de temps beaucoup plus longues, révélant des processus de génération de charges mineurs, mais significatifs.
Ils ont notamment mis en évidence l’ionisation multiphotonique, un phénomène rare où un état excité absorbe plusieurs photons successifs, atteignant finalement un niveau d’énergie suffisant pour libérer un électron. Ce signal, trop faible pour être détecté par les méthodes conventionnelles, a pu être isolé grâce à une nouvelle configuration de spectroscopie. Au lieu d’irradier l’échantillon avec des impulsions laser répétées, les chercheurs l’ont exposé à une lumière continue et ont mesuré la réponse à long terme en une seule acquisition.
Cette approche a permis de distinguer les signaux des états excités de ceux des charges libres pendant une période prolongée, révélant pour la première fois les voies de génération de charges dans les matériaux organiques à un seul composant, jusqu’alors uniquement prédites par la théorie. Schéma illustrant les différentes voies de génération de charges.
« Nous avons détecté avec succès la génération de porteurs de charge via les interfaces donneur-accepteur et l’ionisation multiphotonique à un seul composant », précise le professeur Kabe. « Notre configuration s’est avérée efficace lorsqu’un matériau organique était utilisé comme interface donneur-accepteur, produisant des signaux très clairs, ainsi que lorsque le même matériau était seul, produisant des signaux extrêmement faibles. »
Ces mesures fournissent des preuves directes des voies multiphotoniques, éclairant les processus fondamentaux qui sous-tendent la recherche théorique et appliquée en optique organique. Bien que leur efficacité soit limitée pour des applications telles que le photovoltaïque ou les OLED, ces événements de photoionisation mineurs sont universels dans les matériaux organiques et pourraient expliquer les formes de photodégradation observées.
