Du doping lumineux pour les légumes jusqu'au traitement de l'eau

Les LED UV sont robustes – elles conviennent donc parfaitement à la purification mobile de l'eau. (© FBH/schurian.com)

Une installation moderne d'épitaxie en phase gazeuse coûte environ 1,8 million d'euros, et est nécessaire pour la fabrication des LED UV. (© TU Berlin/P. Gupta)

Des LED UV spéciaux sont utilisés dans la culture de légumes. Ils stimulent les plantes à produire une grande quantité de substances végétales secondaires précieuses. (© Melanie Wiesner-Reinhold, IGZ)

Les germes multirésistants hospitaliers inquiètent le monde médical : ils semblent se propager presque partout. C'est pourquoi le contrôle de la désinfection devient de plus en plus important dans les hôpitaux. Pour cela, des prélèvements réguliers sont effectués sur des objets désinfectés. Les germes potentiellement présents sont ensuite détachés et cultivés sur un milieu nutritif. Si quelque chose pousse sur le milieu, cela signifie que des germes étaient présents malgré la nettoyage ; si rien ne pousse, la désinfection a réussi. Problème : cette méthode prend plusieurs heures, voire plusieurs jours. « Quatre cinquièmes de ces échantillons sont exempts de germes – mais lesquels, telle est la question », explique le Prof. Dr. Michael Kneissl, chef du département de Nanophysique expérimentale et de Photonique à l'Université Technique de Berlin.

« Lorsque la surface de ces échantillons est irradiée avec des LED UV de longueurs d'onde différentes, certains biomolécules dans les germes sont stimulés à émettre de la lumière. Cela permet de détecter une éventuelle charge microbienne. Et ce n’est pas tout : de nombreux germes multirésistants ont des spectres de fluorescence caractéristiques, ce qui pourrait permettre de les identifier directement à l’avenir », explique Michael Kneissl, qui est également vice-président du consortium « UV Avancé pour la Vie ». Le consortium, doté d’environ 45 millions d’euros du ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche (BMBF), rassemble aujourd’hui 49 partenaires et teste dans 26 projets en cours des domaines innovants d’utilisation des LED UV. Et ils sont nombreux. Les LED UV utilisées proviennent principalement des laboratoires de l’Université Technique de Berlin et de l’Institut Ferdinand-Braun, qui collaborent depuis plus d’une décennie dans leur joint-lab « Optoélectronique à base de GaN ». Selon la longueur d’onde, les possibilités d’utilisation des LED UV sont extrêmement variées et économiquement très intéressantes : en plus de la désinfection, elles trouvent des applications en médecine, dans le traitement de l’eau, la détection de gaz, la lithographie ou encore dans l’éclairage pour la culture des plantes.

LED UV pour la désinfection de l’eau

Les LED, ou diodes électroluminescentes, sont connues comme successeurs de l’ampoule à incandescence. En fin de compte, ce sont des composants semi-conducteurs émetteurs de lumière, qui produisent de la lumière à partir du courant électrique. Selon le matériau semi-conducteur utilisé, ces LED peuvent également émettre de la lumière dans le spectre invisible, comme par exemple la lumière UV. Pour cela, un alliage d’aluminium, de gallium et d’azote est utilisé comme matériau semi-conducteur. Ces semi-conducteurs peuvent couvrir presque tout le spectre ultraviolet (210 nm – 400 nm), selon leur fabrication.

« Une application particulièrement intéressante des LED UV est le traitement de l’eau », explique Michael Kneissl. La lumière UV de longueurs d’onde comprises entre 250 nm et 280 nm a la propriété de lier les bases nucléiques de l’ADN. Lorsqu’on irradie l’eau avec cette lumière UV à haute intensité, les germes présents ne peuvent plus se reproduire et meurent. « En principe, cette méthode est idéale pour les régions dépourvues d’un approvisionnement en eau fiable ou, par exemple, dans les zones de catastrophe », précise Michael Kneissl. Traditionnellement, cette lumière UV est produite par des lampes à vapeur de mercure, avec leurs inconvénients bien connus : fabrication et élimination complexes, mercure toxique, fragilité et courte durée de vie. Pour une utilisation en « point d’usage » – c’est-à-dire directement avant la consommation, comme dans les pays en développement ou en zone de catastrophe – ces lampes sont peu adaptées. « En revanche, les LED UV sont très robustes, non toxiques, commutables et peuvent être alimentées par l’énergie solaire ou des batteries – ce qui les rend idéales pour une utilisation mobile », conclut Michael Kneissl.

1,8 million d’euros pour une nouvelle installation d’épitaxie en phase gazeuse

Dans la recherche et le développement de LED UV à courte longueur d’onde, efficaces et puissantes, Michael Kneissl et son équipe sont considérés comme parmi les leaders en Europe. « Pour faire avancer cette recherche, le ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche finance désormais un équipement supplémentaire d’environ 1,8 million d’euros pour l’épitaxie par phase gazeuse organique métallique (MOVPE) à l’Université Technique de Berlin », se réjouit le scientifique. « La technique d’épitaxie sert à fabriquer des couches cristallines extrêmement fines, comme celles nécessaires dans la production de semi-conducteurs. Pour fabriquer ces LED spécifiques, il faut déposer des milliers de couches atomiquement fines sur le substrat. La structure de ces couches détermine finalement l’efficacité avec laquelle le courant injecté est converti en lumière UV. En fonction de la longueur d’onde souhaitée, différentes couches sont construites. La nouvelle installation permet de produire et de tester beaucoup plus rapidement et efficacement des composants pour les LED UV », explique Michael Kneissl, décrivant la fabrication extrêmement complexe des LED. « Dans notre dernière publication dans Nature Photonics, nous montrons que l’efficacité globale des LED UV est le produit de différentes sous-efficacités. Nous connaissons ces paramètres et travaillons à leur optimisation. En laboratoire, nous atteignons déjà une efficacité comparable à celle des lampes UV classiques », ajoute le physicien.

Enrichissement par lumière dans la culture de légumes

Les nombreuses possibilités d’utilisation des LED UV ont notamment conduit l’équipe de l’Institut Leibniz pour la culture de légumes et de plantes ornementales à s’intéresser de près à une alimentation saine sous forme de « aliments fonctionnels » (aliments contenant des ingrédients bénéfiques pour la santé). Grâce à une méthode que l’on peut qualifier de « light doping », les feuilles de légumes sont irradiées avec une faible dose de lumière UV entre 290 nm et 350 nm. Cette irradiation UVB réglementaire stimule spécifiquement le métabolisme secondaire des plantes. En réaction, elles synthétisent davantage de certains composés secondaires végétaux, considérés comme très bénéfiques pour la santé humaine. « L’Institut Leibniz pour la culture de légumes et de plantes ornementales et l’Institut Ferdinand-Braun collaborent pour développer des modules LED UV qui fournissent le spectre UV optimal à cet effet. L’objectif est de créer un projecteur de surface pouvant être utilisé dans une serre pour irradiuer précisément les plantes avec une longueur d’onde définie », explique Michael Kneissl.