Vers 1603, le cordonnier italien et alchimiste amateur Vincenzo Casciarolo a essayé de fondre une pierre particulièrement dense qu’il avait trouvée sur les pentes du mont Paderno, près de Bologne. Aucun or, argent ou autre métal précieux n’a résulté comme il l’avait espéré. Mais une fois la pierre refroidie, Casciarolo a découvert quelque chose d’intéressant : s’il exposait le matériau au soleil et l’emmenait ensuite dans une pièce sombre, la pierre brillerait.
Cette “pierre de Bologne” a été la première substance luminescente persistante préparée artificiellement. Beaucoup d’autres allaient suivre et aujourd’hui, des matériaux luminescents persistants sont utilisés pour les décorations, l’éclairage de secours, les marquages au sol et l’imagerie médicale.
Un jour, ils pourraient nous donner des villes rayonnantes qui restent plus fraîches et utilisent moins d’électricité.
Une nouvelle génération de matériaux luminescents a le potentiel de refroidir les villes en réémettant de la lumière qui serait autrement convertie en chaleur. Ils pourraient également réduire la consommation d’énergie, car des trottoirs luminescents, des balises routières lumineuses ou même des bâtiments lumineux pourraient remplacer certains éclairages publics. Déjà, certaines villes d’Europe ont installé des pistes cyclables incandescentes et certains chercheurs ont étudié l’utilisation de peinture incandescente pour les marquages routiers.
“C’est meilleur pour l’environnement”, déclare Paul Berdahl, un physicien de l’environnement maintenant à la retraite du Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, en Californie. “Si la technologie peut être améliorée, nous pouvons utiliser moins d’énergie… C’est une chose intéressante à faire.”
La pierre de Bologne, une forme de baryte minérale, a fasciné les philosophes naturels à l’époque,]mais n’a jamais été particulièrement utile. Mais dans les années 1990, les chimistes ont développé de nouveaux types de matériaux photoluminescents persistants, tels que l’aluminate de strontium, qui ont maintenu une forte lueur pendant des heures après l’exposition à la lumière. La plupart de ces nouveaux matériaux dégagent une lueur bleue ou verte, bien que quelques-unes soient jaune, rouge ou orange.
De tels matériaux photoluminescents fonctionnent en « piégeant » l’énergie d’un photon, puis en réémettant cette énergie sous forme de lumière de longueur d’onde inférieure. Parfois, la lumière est émise immédiatement, comme dans une ampoule fluorescente. D’autres matériaux, appelés luminescents persistants, stockent l’énergie plus longtemps et l’émettent plus lentement.
Ces matériaux qui brillent fortement pendant des heures ouvrent des possibilités, telles que des villes « glow-in-the-dark » éclairées par des trottoirs et des bâtiments luminescents. Étant donné que 19 % de toute la consommation d’énergie mondiale est destinée à l’éclairage, et en Europe environ 1,6 % spécifiquement à l’éclairage public, les économies d’énergie potentielles sont importantes, écrivent l’ingénieure en bâtiment Anna Laura Pisello et ses collègues dans l’Annual Review of Materials Research 2021.
Un problème avec l’approche est que la plupart des matériaux luminescents ne brillent pas toute la nuit. De meilleurs matériaux pourraient aider à résoudre ce problème, déclare Pisello, de l’Université de Pérouse, qui étudie les matériaux de construction économes en énergie. En attendant, les matériaux existants pourraient être associés à un éclairage électrique qui s’allumerait assez longtemps pour recharger le marquage au sol avant de s’éteindre à nouveau.
La peinture luminescente pourrait également fournir un éclairage extérieur. Le laboratoire de Pisello a développé une telle peinture phosphorescente et, dans un rapport de 2019, a simulé ce qui se passerait s’il peignait un chemin public près d’une gare avec. En brillant toute la nuit, la peinture réduirait l’énergie nécessaire à l’éclairage d’environ 27% dans la zone immédiate, ont découvert les scientifiques.
Si cela suscite des inquiétudes pour des villes entières qui brillent toute la nuit et ajoutent à la pollution lumineuse nocive, Pisello dit que c’est peu probable. Les matériaux luminescents ne feraient probablement que remplacer l’éclairage existant, pas l’enrichir. La couleur des matériaux incandescents pourrait être choisie pour éviter les fréquences bleues qui se sont révélées particulièrement nocives pour la faune.
Les matériaux luminescents pourraient également aider à lutter contre ce que l’on appelle l’effet d’îlot de chaleur urbain. Les toits et les trottoirs absorbent l’énergie du soleil et l’émettent sous forme de chaleur, faisant augmenter les températures estivales de la ville de 7,7 degrés Celsius en moyenne par rapport à la campagne environnante. Les températures élevées sont un danger potentiel pour la santé et entraînent également une plus grande consommation d’énergie pour refroidir les bâtiments.
Une solution de plus en plus courante consiste à utiliser des matériaux « froids » qui reflètent la lumière, tels que la peinture blanche et l’asphalte de couleur claire. Il s’avère que l’ajout de matériaux luminescents peut aider encore plus.
Anna Laura Pisello et ses collègues de l’Université de Pérouse tentent de créer des trottoirs pratiques qui brillent dans le noir. Ils expérimentent différentes substances luminescentes et testent comment les ajouter au matériau de la chaussée pour obtenir les meilleures performances et durabilité. Ci-dessus, des échantillons de matériaux luminescents et un pavé dans lequel ils ont été incrustés.
Anna Laura Pisello
Au Lawrence Berkeley Lab, Berdahl et son équipe ont expérimenté le rubis synthétique, un matériau luminescent à la lumière du soleil, pour créer des revêtements colorés qui restent froids. Dans une première expérience, ils ont rapporté qu’une surface pigmentée de rubis restait plus froide au soleil qu’un matériau de couleur similaire sans pigment spécial.
Le laboratoire de Pisello est allé plus loin et a ajouté au béton plusieurs matériaux luminescents persistants, qui stockaient l’énergie lumineuse et la dégageaient lentement. Par rapport aux surfaces non luminescentes de la même couleur, les meilleures d’entre elles ont abaissé la température de l’air environnant les jours ensoleillés jusqu’à 3,3°C.
“Tu peux faire [a surface] aussi réfléchissant que possible. Mais pouvez-vous aller au-delà ? L’idée est que vous pouvez peut-être aller un peu plus loin en utilisant la luminescence persistante comme autre moyen de transférer de l’énergie… C’est intéressant », déclare Patrick E. Phelan, ingénieur en mécanique à l’Arizona State University qui a co-écrit un article sur l’effet d’îlot de chaleur urbain dans la Revue annuelle de l’environnement et des ressources.
Il existe 250 matériaux luminescents connus, dont beaucoup n’ont pas encore été étudiés pour des applications pratiques. Pisello dit qu’il existe un potentiel pour des peintures et des revêtements brillants qui durent plus longtemps et brillent plus dans plus de couleurs.
« À court terme, la solution la meilleure et la plus simple est d’améliorer ce que nous avons déjà », dit-elle. Cela inclut de peaufiner les matériaux afin qu’ils diffusent de la lumière plus longtemps, plus fortement ou dans des couleurs différentes, et en s’assurant qu’ils continuent de fonctionner dans des environnements réels.
À plus long terme, ajoute-t-elle, de nouvelles classes de matériaux techniques pourraient fonctionner encore mieux. Par exemple, on pourrait se tourner vers les “points quantiques” – de minuscules particules semi-conductrices qu’on peut faire briller et qui sont déjà utilisées en imagerie biologique – ou les pérovskites, des matériaux utilisés dans les cellules solaires qui sont également étudiés pour leurs propriétés luminescentes.
Kurt Kleiner est un journaliste scientifique indépendant basé à Toronto.
Cette histoire est apparue à l’origine sur Knowable Magazine.
