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Ancien lauréat
Bourse commémorative E.W.R. Steacie de 2007

Gregory D. Scholes

Chimie

University of Toronto


Gregory D. Scholes
Gregory D. Scholes

Les plantes ont tout compris. Elles n’ont qu’à capter les rayons de soleil avec leurs feuilles et à transformer cette énergie solaire en énergie chimique qui alimente leur croissance. Cette source d’énergie est gratuite, abondante et disponible pendant presque toute l’année. Gregory Scholes, chimiste à l’University of Toronto, comprend ce processus mieux que quiconque et il met à profit ses connaissances pour produire de nouveaux matériaux qui réagissent à la lumière un peu comme les plantes.

Durant toute sa carrière, M. Scholes a étudié la façon dont la lumière déclenche les processus physiques à l’échelle moléculaire et cherché à leur trouver des applications utiles pour nous tous. Son programme de recherche très diversifié touche la physique, la chimie physique, la chimie des matériaux et la biologie. Les résultats de ses travaux, qui l’ont notamment amené à élaborer deux nouvelles théories importantes au sujet de la photosynthèse, lui ont valu une Bourse commémorative E.W.R. Steacie du CRSNG de 2007.

Non seulement ses découvertes nous permettent de mieux comprendre la façon dont les molécules réagissent à la lumière, mais elles ont également permis de produire une foule d’applications, notamment une source potentielle de nouveaux matériaux utilisables dans les semiconducteurs et d’autres dispositifs. Bon nombre de ces dispositifs existent déjà, mais il y a beaucoup de place pour l’amélioration.

S’inspirant des mécanismes naturels par lesquels les molécules utilisent la lumière à leurs propres fins, M. Scholes s’intéresse actuellement aux nanocristaux – de minuscules fragments de matériau mesurant à peine quelques nanomètres (c. à d. quelques milliardièmes de mètre). Malgré sa taille minuscule, le nanocristal est une structure relativement grosse et complexe d’un point de vue moléculaire, un tel cristal pouvant contenir 1 000 atomes ou plus.

La composition des molécules détermine leurs propriétés – c’est un principe fondamental en chimie –, et même d’infimes différences dans leurs formules chimiques peuvent se traduire par des caractéristiques fort différentes. Toutefois, dans le cas des nanocristaux, il s’avère que la taille physique de la molécule, et pas nécessairement l’arrangement précis des atomes à l’intérieur de la molécule, influe sur ses propriétés. Par exemple, si un nanocristal est configuré en « points quantiques » pour être utilisé dans un laser ou une diode électroluminescente et que l’on change sa taille, cela fait passer la couleur de la lumière émise par le dispositif du bleu au vert, et du vert au rouge. En contrôlant mieux la taille des nanocristaux, on pourra régler avec une plus grande précision les lasers ou les diodes.

Mais il y a plus intrigant encore : la modification de la forme d’un nanocristal pourrait également en altérer le comportement. Cette possibilité touche autant les formes de base comme les cubes et les tiges, que des formes tridimensionnelles plus complexes. Toutefois, tester cette hypothèse s’avérera difficile, car les nanocristaux ont une vive prédilection pour la forme sphérique. La croissance des cristaux doit être contrôlée de près et stoppée à un certain stade, et on doit ensuite stabiliser le matériau ainsi obtenu. À titre de boursier Steacie, M. Scholes compte s’attaquer, entre autres, à cette question.

Il sait déjà quelles expériences il veut réaliser pour tester ses idées au sujet de la forme des nanocristaux, mais il prend son temps pour bien les concevoir afin de pouvoir les appliquer à plusieurs matériaux. « Certes, tenter de comprendre pourquoi la forme peut être si spéciale est déjà difficile. Mais le vrai défi, c’est de créer des matériaux qui ont des fonctions », explique-t-il.

Et non seulement veut-on qu’un matériau ait certaines fonctions, mais on désire également pouvoir les contrôler, qu’il s’agisse de transmettre de l’énergie, d’enregistrer de l’information ou d’émettre de la lumière. Les matériaux à l’étude comprennent les semiconducteurs classiques comme le silicium, et bien d’autres. Mentionnons les « polymères conjugués », des plastiques qui sont parmi les principaux matériaux étudiés pour fabriquer d’éventuels composants électroniques organiques.

Les applications potentielles sont nombreuses. Par exemple, on cherche depuis longtemps à créer des piles solaires qui auraient la capacité de se régénérer, un peu comme les structures des plantes responsables de la photosynthèse se régénèrent constamment à mesure que la lumière solaire les détruit. Les fabricants de composants électroniques voient déjà dans leur boule de cristal des écrans de télévision plastiques et flexibles, légers et faciles à fabriquer. En médecine, la possibilité de contrôler les propriétés des nanocristaux trouvera assurément des applications, notamment des techniques d’imagerie encore plus précises, voire de toutes nouvelles méthodes d’imagerie.

En congé sabbatique pendant l’année universitaire 2006-2007, M. Scholes en profite pour mener quelques projets qui mijotaient depuis un certain temps dans sa tête. L’été dernier, il a étudié de nouveaux matériaux pour les piles photovoltaïques au National Renewable Energy Lab, au Colorado, et il travaille actuellement à des problèmes associés aux antennes à photosynthèse construites à partir de chlorophylle, à l’Università di Pisa, en Italie

Témoignage éloquent de la nature pratique et bien concrète des recherches de Gregory Scholes, son nom figure sur trois demandes de brevet. Cependant, M. Scholes juge extrêmement important de comprendre la théorie sous jacente aux résultats de ses travaux. « Les systèmes que nous étudions sont très complexes, tout comme leur fonctionnement. Nous pouvons effectuer des mesures sur ces systèmes, mais faire une mesure et obtenir une réponse n’est pas un processus simple. Nous devons nous appuyer sur de fortes assises théoriques. L’expérience offre une fenêtre, et la théorie nous permet de regarder au travers de cette fenêtre. »