En astronomie, la quasi-totalité de l’information provient de la lumière et en particulier de la possibilité de décomposer celle-ci par le biais de la spectroscopie qui permet de remonter à la composition chimique des « objets » observés. L’infrarouge et les ondes radio, par exemple, donnent accès à la composition moléculaire des nuages interstellaires d’où se forment les étoiles et les planètes. De plus, la lumière joue un rôle capital dans la chimie de la Galaxie et particulièrement dans la chimie des origines de la vie.

Cet article s’intéresse aux molécules observées dans le milieu interstellaire, molécules qui sont à l’origine de la matière organique présentes dans le système solaire primitif et retrouvées dans les météorites à la surface de notre planète. La formation et l’observation précise de glaces « sales » interstellaires va mener, par le biais de leur photochimie étudiée en laboratoire, à la formation de molécules organiques complexes dont certaines comme les acides aminés, les sucres et les bases nucléiques sont considérées comme de potentielles briques du vivant. De même, des expériences de laboratoire, réalisées sur le synchrotron SOLEIL en lumière polarisée circulairement, mènent à la formation de molécules chirales présentant des excès énantiomériques, en particulier sur les acides aminés, excès que l’on retrouve effectivement dans ces mêmes météorites, permettant ainsi de valider une partie d’un scenario astrophysique plausible menant à la possibilité d’émergence de la vie sur des planètes de type tellurique, dans le cadre d’une chimie prébiotique qui reste cependant largement à définir.

L’alternance du jour et de la nuit est un facteur environnemental majeur qui a influencé en profondeur l’évolution de la vie sur la Terre. Ainsi les organismes vivants ont développé des systèmes de mesure du temps, les horloges circadiennes (circa = proche ; diem = jour) leur permettant d’anticiper et de s’adapter aux changements environnementaux journaliers. Grâce à ces horloges, les fonctions physiologiques (par exemple : métabolisme, division cellulaire) et comportementales (par exemple : alternance veille/sommeil, prise alimentaire) sont réparties de manière optimale le long du cycle lumière/obscurité, ce qui favorise la survie.

Cet article présente les modifications biochimiques qui ont lieux aux différentes étapes de ces processus d’adaptation du vivant au cycle lumière/obscurité. Il abordera la question de leurs dérèglements, des problèmes de santé associes, ainsi que les principes de la luminothérapie.

Depuis près de 60 ans d'existence, le LASER, tout d'abord à l'état d’expérience de laboratoire, est devenu progressivement industriel, en raison notamment de sa fiabilité et des puissances et fluences disponibles.

Après de multiples applications dites classiques s'effectuant principalement dans le volume des matériaux (découpe, soudage…) sont apparues des applications plus marginales faisant appel à des dynamiques de surface (marquage, écrouissage, texturation…) sur des échelles de temps allant du continu jusqu'à la centaine de femto-secondes. Ainsi, le monde industriel est-il distribué aujourd'hui entre des applications visant une échelle métrique (fabrication additive directe de métaux par LASER) et celles à échelle micrométriques voire nanométriques (fonctionnalisation de surfaces).

Cet exposé présente quelques applications permises par les lasers industriels, en décrivant le principe, la mise en application, et les techniques de mesure, tout en mettant l'accent sur certains aspects chimiques.

Dès le début de la chimie scientifique, les chimistes se sont intéressés aux réactions induites par absorption de la lumière. Contrairement aux réactions thermiques, les réactions photochimiques sont initiées à l'état électroniquement excité dans lequel la configuration électronique est différente. En conséquence la réactivité chimique des molécules excitées se distingue considérablement ; elle est parfois complémentaire à la réactivité ordinaire d'un composé. Par ce fait les transformations photochimiques enrichissent la méthodologie en synthèse organique.

Dans ce contexte, on peut remarquer les points suivants : les synthèses multi-étapes des composés complexes peuvent être raccourcies et simplifiées, des réactions dans des structures supramoléculaires comme les cristaux sont facilement réalisées, la chimie redox des composés organiques est enrichie, les différentes formes de catalyse sont favorablement influencées, dans beaucoup de réactions, le photon est un réactif qui ne laisse pas de traces (traceless reagent), les transformations sont souvent faciles à mettre sur l'échelle industrielle, l'utilisation des microréacteurs et des procédés en flux continu facilitent les transformations photochimiques.

Les liens traditionnellement forts entre la photochimie organique et la physicochimie permettent une analyse et une compréhension approfondies des mécanismes ce qui facilite l'optimisation des réactions. Depuis environ deux à trois ans, l’industrie chimique et pharmaceutique s’intéressent fortement aux réactions photochimiques dans le but de trouver de nouveaux produits biologiquement actifs et de développer des procédés écologiquement et économiquement avantageux.

Un certain nombre de corps ou de systèmes moléculaires émettent de la lumière sous l’influence d’une excitation soit photonique, soit électrique. Ils ont alors des propriétés de fluorescence ou de phosphorescence. Dans l’apparition de lumière et d’images dans le monde des télécommunications, la chimie est constamment sollicitée.

Dans les premiers tubes cathodiques, le canon à électrons, le verre du tube sous vide, les électro-aimants de commande, les revêtements phosphorescents de la dalle font appel à la chimie du solide. Les recherches et les perfectionnements des propriétés des oxysulfures dopés sous forme de pixels ont permis l’avènement de la télévision couleur.

La révolution des écrans plats succédant aux tubes cathodiques a été une fulgurante application des cristaux liquides, des pigments organiques et des LED (Light Emitting Diode). Enfin la découverte et les applications des OLED (Organic Light Emitting Diode), semi-conducteurs organiques, ont non seulement réduit drastiquement l’épaisseur des écrans mais aussi rendu ces supports souples dont le dernier smartphone pliable est un exemple. La chimie n’a toujours pas dit son dernier mot puisque la venue des « quantum dot » introduit les dimensions nanométriques dans la concurrence des écrans toujours plus grands et toujours plus fidèles. Au cours de l’exposé, en illustrant ces découvertes et leurs développements, nous mettons en valeur la chimie du solide, la photochimie la chimie organique et celle des polymères.

Matériau transparent, le verre laisse passer la lumière. Des phénomènes colorés variés peuvent alors apparaitre lors des chocs, élastiques ou inélastiques, qui se produisent entre le rayonnement lumineux et les atomes qui composent le verre.

Les verres colorés sont le plus souvent obtenus par addition de pigments minéraux à base d’oxydes de transition. L‘énergie lumineuse est absorbée pour mettre en jeu des transitions électroniques au sein des orbitales ‘d’ ou ‘f’. C’est ainsi qu’avec le cobalt on obtient le bleu vénitien des verriers de Murano. Les polysulfures de fer confèrent au verre une couleur ambre caractéristique des bouteilles de champagne. La délocalisation des électrons le long des chaines de polysulfure permet d’absorber les UV responsables de la dégradation.

Des couleurs dites physiques sont obtenues par diffusion de la lumière. Une couleur rouge intense est ainsi obtenue avec des nanoparticules d’or. L’interaction de la lumière avec les électrons de conduction produit la couleur caractéristique des verres ‘rubis’ qui font la beauté des vitraux de nos cathédrales.

Cet article montre comment l’interaction entre la lumière et le verre peut conduire à des colorations variées utilisées dans de nombreux domaines de la technologie verrière.

Parmi les différents types de lumières utilisables, celle issue des lasers joue un rôle particulier en raison de ses propriétés uniques, issues de la compréhension fine de la structure énergétique des matériaux et des processus d’absorption/émission en jeu à l’échelle des molécules ou des atomes. Le laser tire ses propriétés uniques en grande partie du matériau qui le constitue, et est donc lié de près à la chimie de ce matériau, que ce dernier soit un polymère, une molécule, ou un solide.

En retour, les lasers sont devenus des instruments indispensables dans nombre de laboratoires en permettant par exemple d’observer finement la dynamique temporelle de certaines réactions chimiques (à l’échelle de la femtoseconde !) ou de mesurer les niveaux d’énergie des atomes et molécules avec une grande précision grâce à sa finesse spectrale. En plus de ce rôle analytique, le laser peut également activement induire ou influencer des réactions chimiques, il peut briser des liaisons sélectivement, dissocier ou fragmenter des molécules, séparer des isotopes…

Dans ce chapitre après un bref survol du principe de fonctionnement du laser, on décrit comment les propriétés spécifiques de la lumière laser peuvent être utiles pour certaines applications en chimie ou en médecine par exemple, maintenant et dans un futur proche.

Depuis la découverte de l’effet photovoltaïque en 1839 dans une cellule électrochimique, les progrès de la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire ont été considérables et souvent associés à la chimie. L’explication la plus générale de l’effet photovoltaïque fait appel à des concepts issus de la chimie.

Aujourd’hui, on sait utiliser de nombreux matériaux, organiques ou inorganiques, pour convertir l’énergie solaire efficacement. On se prépare aussi à atteindre les rendements ultimes permis par cette technologie grâce à un contrôle de plus en plus fin de l’élaboration de matériaux et d’assemblages de plus en plus complexes. Grace à la chimie, des procédés ont pu être développés qui ont conduit à faire du photovoltaïque l’une des énergies les plus économiques actuellement et à la rendre massivement disponible. Les nouveaux procédés en cours de développement permettent d’envisager la fonctionnalisation d’un très grand nombre de surfaces, à bas coût, et par chimie douce, pour les rendre capable de convertir l’énergie lumineuse.

Depuis la découverte de l’effet photovoltaïque en 1839 dans une cellule électrochimique, les progrès de la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire ont été considérables et souvent associés à la chimie. L’explication la plus générale de l’effet photovoltaïque fait appel à des concepts issus de la chimie.

Aujourd’hui, on sait utiliser de nombreux matériaux, organiques ou inorganiques, pour convertir l’énergie solaire efficacement. On se prépare aussi à atteindre les rendements ultimes permis par cette technologie grâce à un contrôle de plus en plus fin de l’élaboration de matériaux et d’assemblages de plus en plus complexes. Grace à la chimie, des procédés ont pu être développés qui ont conduit à faire du photovoltaïque l’une des énergies les plus économiques actuellement et à la rendre massivement disponible. Les nouveaux procédés en cours de développement permettent d’envisager la fonctionnalisation d’un très grand nombre de surfaces, à bas coût, et par chimie douce, pour les rendre capable de convertir l’énergie lumineuse.

La chimie qui interagit avec la lumière dans les matériaux fait partie de notre environnement et de notre vie quotidienne. Cette interaction contribue à des fonctions multiples : la protection, la stabilisation de la dégradation des matériaux comme avec le filtre solaire Tinuvin®, et une interaction sur des mécanismes d’actions comme DN- Aura® ou encore les pigments à effets de nos voitures.

Dans la chimie développée chez BASF, le progrès se catégorise dans 4 grands domaines : protéger de la lumière, dompter la lumière, utiliser les technologies optiques pour la R&D, embellir par la lumière.

Différentes solutions innovantes sont présentées pour illustrer le champ des possibles en matière de développements de la chimie autour de la lumière. Les propriétés physiques de la lumière sous un large spectre d’ondes électromagnétiques confèrent à la chimie une dimension élargie dans des secteurs aussi variés que l’éclairage des bâtiments, la peinture automobile, l’extraction d’ingrédients cosmétiques à partir du végétal, ou encore la miniaturisation des systèmes. Au-delà des solutions innovantes, la lumière rend les univers invisibles à l’œil nu visibles grâce à la mise au point de technologies optiques exceptionnelles et adaptées. L’optique ouvre la porte vers l’exploration d’éléments structuraux et porte la chimie jusqu’à la production de matière « vivante » en 3D encore appelée bio-impression.