Une nouvelle méthode permettra de créer des appareils compacts qui détermineront avec précision la composition moléculaire d'un liquide ou d'un gaz, et aider à identifier les composés chimiques potentiellement dangereux. Les résultats des travaux menés par des chercheurs de l'Université ITMO et de l'Université Ben Gourion du Néguev, Israël ont été publiés dans Nanomatériaux .

Aujourd'hui, de plus en plus d'attention est portée à la qualité de l'air et de l'eau et à la maîtrise des composés nocifs qu'ils peuvent contenir. Même une petite concentration de ces composés peut avoir un effet négatif énorme sur la santé des humains et des animaux. Nous avons besoin d'équipements complexes pour surveiller la composition chimique des substances et identifier des composés spécifiques. La plus répandue des méthodes précédemment appliquées est la spectroscopie vibrationnelle.

"Avec la spectroscopie vibrationnelle, vous pouvez facilement apprendre la composition moléculaire de toute substance qui vous était auparavant inconnue, " explique Daler Dadadjanov, Doctorant dans un programme conjoint de l'Université ITMO et de l'Université Ben Gourion du Néguev, Israël, chercheur associé au Centre international de recherche et d'enseignement pour la physique des nanostructures. « Cela fonctionne comme ceci :nous avons une substance inconnue qui se compose d'un certain nombre d'atomes interagissant les uns avec les autres; un groupe amino, par exemple, a des atomes d'hydrogène et d'azote. Lorsqu'il est soumis à un rayonnement lumineux, ces atomes se mettent à osciller, absorber une certaine quantité d'énergie pendant qu'ils y sont. Par conséquent, l'énergie sortante sera moindre. La fréquence à laquelle l'énergie a été absorbée, peut être utilisé pour déterminer les groupes atomiques fonctionnels dont se compose une molécule. Puis, un « identifiant moléculaire » pourrait être créé qui peut ensuite être utilisé par un détecteur car il détermine le type de substance qui lui a été présenté. »

Les spectromètres utilisés aujourd'hui fonctionnent généralement dans le domaine spectral moyen infrarouge, avec la longueur d'onde de 2,5-25 micromètres. Dans cette gamme, les différences entre l'énergie de la lumière incidente et l'énergie qui a déjà traversé la substance peuvent être facilement définies et analysées. Les analyseurs travaillant dans cette gamme, cependant, sont relativement grands et encombrants, ainsi que plutôt cher. De plus, certaines bandes du spectre moyen infrarouge sont si intenses, comme ceux liés à la vibration des atomes d'hydrogène d'un groupe OH, qu'ils conduisent à une absorption d'énergie totale lors de la détection de petites quantités de substances. Ces bandes sont à l'origine de difficultés lors de l'interprétation d'autres bandes vibrationnelles caractéristiques dans le spectre d'absorption.

Le système pourrait être rendu plusieurs fois plus petit, s'il pouvait fonctionner non pas dans l'infrarouge moyen mais dans le spectre proche infrarouge compatible avec le rayonnement à ondes courtes. Le spectre du proche infrarouge est beaucoup plus étudié que celui du moyen infrarouge, principalement parce qu'il est utilisé par les systèmes de télécommunications modernes.

"Le principal avantage du spectre proche infrarouge est qu'il existe aujourd'hui de nombreuses unités de rayonnement continu économes en énergie et de haute qualité et des détecteurs fiables, " commente Dadadzhanov. " Ils sont moins chers que ceux utilisés dans l'infrarouge moyen et plus compacts. Ainsi, l'équipement du spectre infrarouge moyen peut mesurer 1,5 sur 1,5 mètre, tandis que le proche infrarouge pourrait tenir sur une paume humaine."

Cependant, il y a un problème – raccourcir la longueur d'onde signifie que la différence entre l'énergie entrante et sortante devient trop petite pour être facilement détectée. Par conséquent, une plus grande quantité de substance est nécessaire pour une analyse de bonne qualité, ce qui met en danger le compactage de l'appareil. Par ailleurs, de nombreux capteurs visent à détecter des substances inconnues avec des concentrations marginalement faibles, comme les molécules toxiques. La tâche devient plus difficile dans le spectre proche infrarouge.

Avant de créer un analyseur basé sur la spectroscopie vibrationnelle proche infrarouge, les scientifiques doivent trouver un moyen d'amplifier le signal reçu en raison de la différence entre l'énergie entrante et sortante. C'est ce que les chercheurs de l'Université Ben Gourion du Néguev, Israël dirigé par le Dr Alina Karabchevsky et leurs collègues de l'Université ITMO y travaillaient.

« Dans notre journal, nous proposons la conception suivante :sur une base d'un diélectrique transparent, Comme, par exemple, verre borosilicaté, un réseau périodique de nanoparallélépipèdes en or est formé. De telles structures peuvent être acquises par lithographie par faisceau d'électrons, " poursuit Dadadzhanov. " Après cela, nous recouvrons le substrat d'une fine couche de la substance étudiée et enregistrons le spectre de transmittance de l'échantillon, qui est conditionnée par l'excitation combinée de la résonance plasmonique dans les nanoparticules d'or et des vibrations moléculaires (harmoniques) de la substance étudiée. Les nanoparallélépipèdes d'or sous la forme proposée ont leur résonance plasmonique précisément dans la même zone du spectre où les molécules étudiées ont leurs bandes d'absorption. De plus, au voisinage d'une surface métallique, le champ électromagnétique est fortement amplifié. Par conséquent, cela augmente la sensibilité du capteur proposé."

L'article publié est théorique – avec des recherches menées sur des modèles numériques. L'étape suivante, donc, sera de mener des expériences réelles de création de tels systèmes dans des conditions de laboratoire.