Une équipe de chercheurs a trouvé un moyen de détecter des traces de gaz jusqu'à des concentrations de l'ordre des parties par quadrillion en utilisant une nouvelle variante de l'effet photoacoustique, une technique qui mesure le son généré lorsque la lumière interagit avec les molécules.

"De plusieurs façons, l'effet photoacoustique est déjà la méthode la plus pratique disponible pour détecter les polluants dans l'atmosphère, " dit Gerald Diebold, professeur de chimie à l'Université Brown et co-auteur d'un nouvel article décrivant les recherches de son laboratoire. « Mais lorsque la concentration des molécules que vous essayez de détecter atteint le niveau des parties par billion, le signal devient trop faible pour être détecté. Nous avons développé une nouvelle technique photoacoustique qui amplifie le signal et nous permet de descendre au niveau des parties par quadrillion, ce qui, à notre connaissance, est un record."

L'étude, qui était une collaboration entre le laboratoire de Diebold à Brown et le laboratoire de Fapeng Yu à l'Université du Shandong en Chine, est publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

L'effet photoacoustique se produit lorsqu'un faisceau lumineux est absorbé par un gaz, liquide ou solide provoquant son expansion. L'expansion est un mouvement mécanique qui se traduit par le lancement d'une onde sonore. L'effet a été découvert pour la première fois par Alexander Graham Bell dans les années 1880, mais avait peu de valeur pratique jusqu'à l'invention du laser, qui, en raison de sa largeur de ligne généralement étroite et de sa puissance élevée, rendait les signaux photoacoustiques suffisamment grands pour être facilement détectables.

Les détecteurs photoacoustiques fonctionnent en zapping un matériau avec un laser réglé sur une longueur d'onde qui est absorbée par la molécule d'intérêt. Dans une expérience photoacoustique typique, le faisceau laser est allumé et éteint à une fréquence qui peut être détectée par un microphone sensible pour écouter les ondes sonores produites. Différentes molécules absorbent la lumière à différentes fréquences, donc en ajustant la fréquence du laser, il est possible d'affiner un détecteur pour des substances spécifiques. Donc, pour rechercher de l'ammoniac dans l'air, par exemple, le laser serait réglé sur la fréquence d'absorption spécifique des molécules d'ammoniac. On zapperait alors un échantillon d'air, et si le microphone capte les ondes sonores, cela signifie que l'échantillon contient de l'ammoniac.

Mais plus la concentration de la substance cible est petite, plus le signal est silencieux. Diebold et ses collègues ont donc utilisé une technique non conventionnelle pour augmenter l'amplitude du signal.

"Ce que nous avons fait, c'est concevoir une méthode qui repose sur trois résonances différentes, " Diebold a déclaré. "Le signal augmente à chaque résonance."

Au lieu d'un seul faisceau laser, Diebold et ses collègues combinent deux faisceaux à une fréquence et à un angle spécifiques. La jonction des poutres crée un réseau, un motif d'interférence entre les deux poutres. Lorsque les fréquences laser sont réglées correctement, le réseau parcourt une cellule de détection à la vitesse du son, créant un effet d'amplification à chacun des pics du réseau.

La deuxième résonance est créée par un cristal piézoélectrique utilisé dans l'expérience, qui vibre précisément à la fréquence des faisceaux laser combinés. Les petites forces de compression dans les ondes de pression induisent progressivement un mouvement dans un cristal de la même manière que les petites, les poussées répétées d'une balançoire de terrain de jeu peuvent provoquer un mouvement de grande amplitude de la balançoire.

La troisième résonance est générée en ajustant la longueur de la cavité dans laquelle le cristal est monté de sorte qu'il résonne lorsqu'un nombre entier de demi-longueurs d'onde du son correspond exactement à la longueur de la cavité. La sortie du cristal, qui est piézoélectrique de sorte qu'il génère une tension proportionnelle à son mouvement oscillatoire, est envoyé aux amplificateurs et aux appareils électroniques sensibles pour enregistrer le signal acoustique.

"L'une des raisons pour lesquelles la méthode du réseau mobile a si bien fonctionné est que le groupe du professeur Yu à l'Université du Shandong a développé un cristal spécial qui donne de très gros signaux en réponse aux ondes de pression, " dit Diebold. " On nous a dit qu'il leur avait fallu trois mois pour synthétiser le cristal. "

Dans leurs expériences, les chercheurs ont montré qu'en utilisant ces trois résonances, ils ont pu détecter l'hexafluorure de soufre gazeux dans des quantités allant jusqu'à des parties par quadrillion.

Diebold pense que la technique sera utile pour développer des détecteurs sensibles à de très faibles concentrations de gaz polluants, ou pour détecter des molécules qui ont de faibles absorptions qui les rendent intrinsèquement difficiles à détecter.

Diebold a noté qu'en réalisant les expériences, lui et ses collègues ont été « étonnés de constater que, parce que les fréquences sont si élevées - dans la gamme des centaines de kilohertz - qu'il n'y a pratiquement aucune interférence de fond, soit à partir de sources électriques, soit à partir d'acoustiques provenant de bruits ambiants, le vent ou les vibrations d'un bâtiment. Cela signifie que nous pouvons faire des expériences dans une cavité ouverte sans avoir à bloquer le bruit extérieur. Donc, si vous avez une décharge et que vous essayez de détecter du méthane, par exemple, vous venez de prendre ce détecteur, asseyez-le là en plein air et surveillez en permanence la sortie. "

Il reste du travail sur l'ingénierie d'un instrument compact avant que cette technique puisse être utilisée à l'extérieur, mais cette étude offre une preuve de concept convaincante, disent les chercheurs.