Prof. Bao-Lian Su will assume the presidency of the International Mesostructured Materials Association (IMMA) for the second consecutive term (each term lasting 2 years). The congress brought together several hundred scientists from over 20 different countries. Prof. Bao-Lian Su had already been elected President of the IMMA Association in 2021 at the 11th International Congress on Structured Materials. He was the first Belgian to receive this honor. He received the prestigious "IMMA Award" for his significant contribution to the development of mesostructured materials. He is the first Belgian to have received this honor. This new term as IMMA President ends in 2026.

The congress focused on applications such as energy storage and conversion, biotechnology, applications in catalysis, environmental aspects such as adsorption/separation and gas purification.

Prof. Su has created a new family of mesoporous materials recognized by the scientific community under the name "CMI". This is a family of mesoporous materials based on silica and metal oxides synthesized from a highly innovative "polyoxyethylene alkyl ether" surfactant under very mild conditions.

Prof. Su's team was the first to use this type of surfactant as a mesoporous structure-directing agent. The team also pioneered the field of hierarchical porous materials by discovering the formation phenomenon that led to the creation of a new family of hierarchical porous materials with three or four different porosities of interconnected sizes incorporated into a single solid material. Currently, this new family of materials constitutes a new area of research of great interest in the field of energy conversion and storage (batteries and photocatalysis) but also in the field of CO2 capture and recovery by catalysis.

Recently, Prof. Bao-Lian Su organized the launch of the new BatFactory project portfolio, funded under the Walloon Recovery Plan.

BatFactory aims to produce batteries and battery components for stationary electrical energy storage and collective applications. The project aims to leverage the Walloon region's R&I expertise to support the development of local companies. At the same time, it aims to produce high-performance materials for instrumented storage batteries using intelligent, environmentally-friendly processes that enhance circularity. The project is part of the stimulus package and reflects the researcher's commitment to innovation and sustainable energy solutions.

Les métamatériaux à faible indice de réfraction offrent un nouvel éclairage sur les fondements de la mécanique quantique.  En physique, comme dans la vie, il est toujours bon de regarder les choses sous différents angles.  Depuis les débuts de la physique quantique, la façon dont la lumière se déplace et interagit avec la matière qui l'entoure a principalement été décrite et comprise mathématiquement à travers le prisme de son énergie. En 1900, Max Planck a utilisé l'énergie pour expliquer comment la lumière est émise par des objets chauffés, une étude fondamentale qui a jeté les bases de la mécanique quantique. En 1905, Albert Einstein a utilisé l'énergie pour introduire le concept de photon.

Mais la lumière possède une autre qualité, tout aussi importante : sa quantité de mouvement. Et si on la contraint, la lumière commence à se comporter de manière très intéressante.  Une équipe internationale de physiciens dirigée par le Dr Michaël Lobet, chercheur associé à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), chargé de cours à l’UNamur, et le professeur Eric Mazur, titulaire de la chaire Balkanski de physique et de physique appliquée à la SEAS, réexamine les fondements de la physique quantique du point de vue de la quantité de mouvement.  Les chercheurs ont investigué ce qui se passe lorsque la quantité de mouvement de la lumière est réduite à zéro.

Tout objet ayant une masse et une vitesse possède une quantité de mouvement - des atomes aux balles en passant par les astéroïdes - et la quantité de mouvement peut être transféré d'un objet à un autre. Un pistolet recule lorsqu'une balle est tirée, car la quantité de mouvement de la balle est transférée au pistolet. À l'échelle microscopique, un atome recule lorsqu'il émet de la lumière en raison de la quantité de mouvement acquise par le photon. Le recul atomique, décrit pour la première fois par Albert Einstein lorsqu'il écrivait la théorie quantique du rayonnement, est un phénomène fondamental qui régit l'émission de lumière.

Mais un siècle après Planck et Einstein, une nouvelle classe de métamatériaux soulève des questions concernant ces phénomènes fondamentaux. Ces métamatériaux ont un indice de réfraction proche de zéro, ce qui signifie que lorsque la lumière les traverse, elle ne se déplace pas comme une onde en phases de crêtes et de creux. Au contraire, l'onde est étirée à l'infini, créant une phase constante.  Lorsque cela se produit, de nombreux processus typiques de la mécanique quantique disparaissent, y compris le recul atomique.  Pourquoi ? Encore la quantité de mouvement. Dans ces matériaux dits à faible indice de réfraction, la quantité de mouvement de la lumière devient nulle et lorsque la quantité de mouvement de l'onde est nulle, et des choses étranges se produisent. 

Comme si le fait d'enfreindre l'une des règles d'Einstein ne suffisait pas, les chercheurs ont également enfreint l'expérience peut-être la plus connue de la physique quantique, à savoir l'expérience de la double fente de Young. Cette expérience est utilisée dans les salles de classe du monde entier pour démontrer la dualité particule-onde en physique quantique - montrant que la lumière peut présenter des caractéristiques à la fois d'ondes et de particules. 

"Les processus radiatifs fondamentaux sont inhibés dans les matériaux tridimensionnels à faible indice de réfraction ", explique Michaël Lobet. "Nous nous sommes rendus compte que la quantité de mouvement de recul d'un atome est empêchée dans les matériaux à indice de réfraction proche de zéro et qu'aucun transfert de quantité de mouvement n'est permis entre le champ électromagnétique et l'atome. Nous avons également constaté qu’aucun effet Doppler ne se produit dans ces matériaux."

Dans un matériau donné, la lumière, passant par deux fentes, produit deux sources d'ondes cohérentes qui interfèrent pour former un point lumineux au centre de l'écran avec un motif de franges claires et sombres de part et d'autre, appelées franges de diffraction.   
"Lorsque nous avons modélisé et calculé numériquement l'expérience de la double fente de Young, il s'est avéré que les franges de diffraction disparaissaient lorsque l'indice de réfraction était réduit", a déclaré la co-auteure Dr Larissa Vertchenko, de l'Université Technique du Danemark.

"Comme on peut le constater, ces travaux interrogent les lois fondamentales de la mécanique quantique et sondent les limites de la dualité onde-corpuscule", ajoute le co-auteur Dr Iñigo Liberal, de l'Université Publique de Navarre à Pampelune, Espagne.

Si certains processus fondamentaux sont inhibés dans les matériaux dont l'indice de réfraction est proche de zéro, d'autres sont renforcés. Prenez un autre phénomène quantique célèbre : le principe d'incertitude d'Heisenberg, plus connu en physique sous le nom d'inégalité d'Heisenberg. Ce principe stipule que vous ne pouvez pas connaître, avec une précision parfaite, deux caractéristiques d’une particule à la fois, à savoir la position et la vitesse de la particule.  Plus vous en savez sur l'une, moins vous en savez sur l'autre. Or, dans les matériaux à faible indice de réfraction, vous savez avec 100% de certitude que la quantité de mouvement d'une particule est nulle, ce qui signifie que vous n'avez absolument aucune idée de l'endroit où se trouve la particule à un moment donné dans le matériau.

"Ces nouveaux résultats théoriques jettent un nouvel éclairage sur la photonique à indice de réfraction proche de zéro du point de vue de la quantité de mouvement", explique le Pr Eric Mazur. "Ils permettent de mieux comprendre les interactions lumière-matière dans les systèmes à faible indice de réfraction, ce qui peut être utile pour les applications laser et de l'optique quantique." 

Cette recherche pourrait également faire la lumière sur d'autres applications, notamment l'informatique quantique, des sources de lumière qui émettent un seul photon à la fois, la propagation sans perte de lumière dans un guide d'ondes, etc.   L'équipe a l'intention de réexaminer d'autres expériences quantiques fondamentales dans ces matériaux. Après tout, même si Einstein n'a pas prédit de matériaux à indice de réfraction proche de zéro, il a souligné l'importance de la quantité de mouvement. Dans son article fondamental de 1916 sur les processus radiatifs fondamentaux, Einstein insistait sur le fait que, d'un point de vue théorique, l'énergie et la quantité de mouvement "doivent être considérées sur un pied d'égalité totale, puisque l'énergie et la quantité de mouvement sont liées de la manière la plus étroite possible". 

"En tant que physiciens, c'est un rêve de suivre les traces de géants comme Einstein et de pousser leurs idées plus loin", nous confie Michaël Lobet. "Nous espérons pouvoir fournir un nouvel outil que les physiciens pourront utiliser ainsi qu’une nouvelle perspective, qui pourrait nous aider à comprendre ces processus fondamentaux et à développer de nouvelles applications."

Le bit quantique ou qubit est l'unité élémentaire pouvant porter une information quantique. Comme le 1 et le 0 sont les deux états d'un bit classique ordinaire, un qubit est un système quantique à deux niveaux, qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique. La différence est que le qubit se trouve simultanément dans l’état 0 et 1, ce qui a des conséquences importantes sur la manière de stocker l’information.

Pour bien comprendre, il faut savoir que les matériaux moléculaires étudiés dans le cadre de cette recherche ont la particularité d’avoir un électron non-apparié. Ces composés spécifiques, qu’on appelle alors des composés radicalaires sont généralement très réactifs.

Le premier challenge a été de les rendre hyper stables, peu réactifs de manière à pouvoir étudier leurs propriétés optiques et magnétiques. 

Si on excite ces matériaux radicalaires avec de la lumière, il est possible de les faire passer d’un état doublet à un état quartet. « C’est comme passer d’un état OFF à un état ON, comme si on pouvait écrire de l’information dedans à la manière des bits classiques, les éléments de mémoire de nos ordinateurs. On parle d’étape d’initialisation », explique Yoann Olivier. Cependant, ces éléments de mémoire moléculaires ne se comportent pas comme des bits classiques mais comme des bits quantiques ou qubits.

L’intérêt de cette recherche est double :

• Elle est innovante car elle démontre qu’avec la génération d’un état quartet, on peut faire passer le qubit de 2 à 4 niveaux, donc en théorie de doubler le nombre d’opérations qu’un ordinateur peut réaliser en un temps donné. Imaginez ce que cela signifie quand on parle de supercalculateurs.
• Elle est originale car elle prouve qu’on peut initialiser et lire ces qubits ainsi que les réinitialiser, tout cela dans un temps très court.

Ce qui est étonnant et très important à mentionner, c’est que ces propriétés physiques remarquables dépendent de manière cruciale de la structure chimique des matériaux ! 

Cet article publié dans la prestigieuse revue Nature est le fruit d’une collaboration entre les experts de plusieurs institutions : l’Université de Cambridge et l’Université de Swansea (UK), le Centre International de Physique Donostia de San Sebastian (ES), l’UMons et l’UNamur (BE).

• Les promoteurs : Richard H. Friend (Cambridge, UK), Emrys W. Evans (Swansea, UK), David Beljonne (UMons, BE), Yoann Olivier (UNamur, BE)
• A l’UNamur : Prof. Yoann Olivier, Dr. Giacomo Londi, Dr. Danillo Valverde, Gaetano Ricci (Doctorant FRIA)

Le rôle de Yoann Olivier et son équipe UNamur a permis la compréhension des mécanismes de l’initialisation, de la lecture et de l’effaçage des qubits grâce à des techniques de modélisation moléculaire.

C’est une recherche interdisciplinaire de longue haleine sur une thématique neuve dans l’étude des matériaux. Entre le 1er calcul et la publication dans Nature, 2 ans et demi se sont écoulés. Mais à terme, on peut imaginer remplacer les supercalculateurs actuels par des ordinateurs quantiques d’une puissance et d’une rapidité inégalées.

C’est un domaine passionnant, à la frontière entre deux disciplines qui semblent ne pas être compatibles. « L’occasion de faire de la nouvelle physique avec des matériaux moléculaires pour les physiciens et l’occasion de travailler sur des matériaux innovants aux propriétés physiques remarquables pour les chimistes », nous confie Yoann Olivier. 

Yoann Olivier avait rejoint l’UNamur en 2019 en tant que nouvel académique Chargé de cours aux Départements de chimie et de physique.  Il fait partie de l’Institut NISM, ce qui permet de renforcer l’équipe multidisciplinaire de chercheurs dans le domaine de la synthèse et de la fonctionnalisation de systèmes moléculaires et matériaux nouveaux (0 à 3D), du design de solides à architecture spécifique, des propriétés de leurs surfaces et du développement de techniques avancées pour l’étude de leurs propriétés physico-chimiques.

Être à moitié chimiste et à moitié physicien, ce n’est pas commun. Un challenge, certainement, mais aussi une belle opportunité qui se voit aujourd’hui couronnée de succès.

Bravo pour cette publication !

Yoann Olivier a obtenu sa licence en Sciences Physiques à l’UMons et a enchaîné par un doctorat en Chimie en 2008 toujours à l’UMons avec le Prof. Jérôme Cornil au sein du laboratoire de Chimie des Matériaux Nouveaux (CMN). De 2009 à 2013, il était Chargé de Recherche FNRS.  Durant cette période, il a effectué des séjours postdoctoraux à l’Université de Bologne (IT) et à l’Université de Cambridge (UK). De 2013 à 2019, il était de retour au CMN comme assistant de recherche.

A la fin de sa licence, il s’est intéressé à l’application de techniques numériques dans le domaine des sciences des matériaux. Pendant sa thèse, il s’est intéressé au transport de charge au sein de matériaux moléculaires π-conjugués utilisant une combinaison de techniques de modélisation moléculaire. Ses domaines d’intérêt sont la compréhension des processus électroniques dans les matériaux organiques 2D et les polymères conjugués, en utilisant une approche multi-échelle qui combine différentes approches de la chimie et physique computationnelle, notamment des méthodes de chimie quantique et de simulations de dynamique moléculaire.

Les applications de ses recherches sont nombreuses, tant d’un point de vue technologique (TV OLED, écrans de smartphones, …), de l’énergie (cellules photovoltaïques, panneaux d’éclairage, …) ou de la santé (appareils de monitoring, biosenseurs, …).

Titulaire d’un NARC fellowship 2021-2023 pour son projet FNRS-MIS « Imagine », Yoann Olivier est membre des Instituts NISM et naXys.

La physique vous intéresse ? Découvrez le Département de physique et les études qui y sont proposées.

Dans le monde naturel, de nombreuses espèces animales présentent de la fluorescence, c’est-à-dire qu’ils émettent de la lumière visible sous un éclairage ultraviolet. De façon générale, les propriétés physiques, chimiques ou biologiques de fluorescence de ces espèces sont très mal comprises. Par exemple, la fluorescence des ailes transparentes des plus de 3000 espèces de cigales n’avait jamais été rapportée dans la littérature scientifique jusqu’à cette année.

Dans une nouvelle étude publiée en février 2023 dans le Journal of Luminescence, une équipe internationale de recherche menée par Sébastien Mouchet, chercheur au Département de physique et membre des Instituts NISM (Institut namurois de la Matière Structurée) et ILEE (Institute of Life, Earth and Environment) de l’UNamur, a mis en évidence les propriétés inconnues de fluorescence d’ailes transparentes de certains insectes, dont les cigales que l’on retrouve dans le sud de la France, et du sphinx gazé, un lépidoptère qui vit, entre autres, en Belgique.

Cette étude indique que l’émission de lumière par fluorescence serait plus commune dans les ailes transparentes d’insectes que ce que l’on admettait auparavant. Tout porte à croire que l’origine de cette fluorescence est la présence de résiline au sein des ailes. Cette protéine est connue pour contribuer à la flexibilité des ailes.

Contrairement à ce que l’on pensait, l’émission par fluorescence observée chez ces insectes pourrait être une conséquence fortuite de la présence de résiline dans les ailes à des fins mécaniques et ne pas jouer de rôle particulier dans la communication visuelle de l’insecte, qu’il s’agisse de parade nuptiale ou de défense territoriale.

L’étude fondamentale de la fluorescence d’organismes vivants n’est pas uniquement cruciale du point de vue zoologique. La mise en évidence de la protéine fluorescente verte (connue comme GFP, de l’anglais Green Fluorescent Protein) au sein des tissus d’une espèce de méduse a révolutionné technologiquement le monde de la génétique et de la microscopie à fluorescence. Cette découverte a d’ailleurs été couronnée par le prix Nobel de Chimie en 2008. 

A l’UNamur, c’est grâce aux équipements de la plateforme technologique LOS (Laser, Optique et Spectroscopies) que ces études ont été réalisées.

La plateforme offre une expertise unique dans la caractérisation des propriétés optique et électroniques de la matière au moyen de mesures optiques linéaires et non-linéaires, réalisées notamment par des lasers dans un cadre de recherches fondamentales ou appliquées. La plateforme permet l'analyse de systèmes structurés à l’échelle nanométrique à une, deux ou trois dimensions, de films moléculaires aux interfaces ou de traces de gaz. En plus des compétences expérimentales, la plateforme développe des modèles analytiques et numériques permettant d’interpréter les réponses spectroscopiques mesurées.

• Sébastien Mouchet, Louis Dellieu et Olivier Deparis (Université de Namur, Belgique)
• Charlotte Verstraete, Dimitrije Mara et Thierry Verbiest (KU Leuven, Belgique)
• Bojana Bokic et Branko Kolaric (Université de Belgrade, Serbie)
• Albert Orr (Griffith University, Australie)
• Rik Van Deun (Université de Gand, Belgique)
• Pete Vukusic (University of Exeter, Royaume Uni)

Cette propriété est souvent utilisée dans notre vie quotidienne. Quelques exemples :

• Les vêtements à haute visibilité ou dans un simple but esthétique ;
• Les marqueurs surligneurs ;
• Des peintures « anticollision » dont on peint, par exemple, certaines parties des avions ;

La fluorescence est également utilisée dans le cas de la lumière dite « noire », à savoir celle émanant d’une source lumineuse composée essentiellement de proches ultra-violets, qui fait ressortir les blancs et les objets fluorescents afin de créer une ambiance spéciale, de vérifier qu’un billet de banque n’est pas contrefait ou de déceler certaines substances invisibles à l’œil nu.

En recherche de fuites, la fluorescence est très employée en mélangeant à l'eau des traceurs fluorescent. Cela permet de déceler tout type d'infiltration ou de passage d'eau. La spin-off TRAQUA de l’UNamur, experte en monitoring hydrologique et hydrogéologique, qui a développé le fluorimètre/turbidimètre STREAM®, en est un bel exemple.

Sébastien Mouchet et Oliver Deparis sont les auteurs d'un ouvrage intitulé Natural Photonics and Bioinspiration.  Publié en novembre 2021, c'est un livre sur le thème de l’optique physique et de la biologie environnementale. Sur les traces des recherches du Prof Jean-Pol Vigneron, ce livre, avant-gardiste selon l’éditeur, ouvre la porte aux applications bio-inspirées dans le monde de l’optique, de l’énergie et de l’environnement.