Le nez d'un organisme vivant est essentiellement un détecteur de molécules biologiques qui envoie des signaux neurologiques au cerveau, qui décode ensuite une odeur particulière. Le nez humain, avec six millions de récepteurs olfactifs, peut distinguer plus d'un billion d'odeurs, tandis que certains nez canins possèdent jusqu'à 300 millions de récepteurs, qui offrent une sensibilité accrue en parties par billion.
Les « nez électroniques » sont des appareils électroniques capables de « renifler » et d'identifier les odeurs et les saveurs vaporisées. Généralement connectés à une quantité importante d'équipements de laboratoire, ces nez synthétiques ne sont pas facilement portables, ce qui motive les chercheurs à concevoir de nouveaux capteurs transportables capables d'identifier une large gamme de produits chimiques.
Des chercheurs de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh ont approfondi ce potentiel en concevant un système à petite échelle qui forme des motifs tridimensionnels, qui servent d'« empreintes digitales » chimiques permettant d'identifier les produits chimiques présents dans les solutions. La chercheuse principale est Anna C. Balazs, professeure émérite de génie chimique, avec l'auteur principal et postdoctorant Moslem Moradi, et le postdoctorant Oleg E. Shklyaev. L'ouvrage apparaît dans Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Les catalyseurs sont très sélectifs ; seuls certains réactifs peuvent déclencher une réaction catalytique particulière. En raison de cette sélectivité, les catalyseurs d'une solution peuvent révéler l'identité des réactifs. Si les bons réactifs sont ajoutés au fluide, la réaction résultante génère la réaction spontanée. l'écoulement du fluide ; l'écoulement, à son tour, peut plier et façonner des objets flexibles immergés dans la solution", a expliqué Balazs.
"Si les tiges flexibles sont attachées à la base d'une chambre remplie de liquide et recouvertes d'enzymes spécifiques, alors les réactifs ajoutés forceront les tiges à se plier dans des directions différentes et à former des motifs visuels distincts.
"Ce qui est étonnant, c'est que chaque réactif, ou combinaison de réactifs, produit un motif distinct. En effet, les produits chimiques laissent une "empreinte digitale" distinctive, qui nous permet d'identifier la composition chimique de la solution."
Dans la simulation, Moradi a construit une chambre de quatre millimètres carrés et d'un millimètre de hauteur, avec 81 poteaux flexibles. Seuls quelques poteaux situés à des endroits particuliers étaient recouverts de l'un des trois types d'enzymes.
"Si nous examinons des réactions spécifiques, nous pouvons discerner les formes qu'elles contribuent au modèle global. Par conséquent, nous pouvons contrôler les modèles et ajuster leur apparence." » dit Moradi. "De plus, si les réactifs sont ajoutés un par un, nous pouvons former un kaléidoscope chimique lorsqu'un motif se transforme en un autre lorsque les réactifs précédents sont consommés par la réaction et qu'un nouveau réactif est ajouté à la solution."
Shklyaev a ajouté que ces résultats sont remarquables car les postes sont similaires à des nœuds électroniques. "Les poteaux sont comme des interrupteurs marche-arrêt et se déplacent dans une direction spécifique régulée par le flux", a-t-il déclaré, "et les motifs révèlent les empreintes chimiques. La chimie se produit à l'échelle nanométrique, et nous observons des motifs visibles à l'échelle millimétrique. formé par le poteau, qui peut réfléchir la lumière et peut donc être détecté à l'œil nu."
Parallèlement, les résultats mettent en évidence un moyen de diriger le flux dans la chambre sans construire de nouvelles parois pour chaque application, élargissant potentiellement l'utilité d'un dispositif fluidique donné.
"Nos tests ont utilisé trois enzymes différentes, ce qui nous permet de générer plusieurs modèles différents en réponse à seulement trois produits chimiques différents. Puisque chacun des 81 poteaux pourrait potentiellement être recouvert d'une enzyme différente, le nombre total de modèles possibles augmente de façon exponentielle avec le nombre de les messages. Sur le plan conceptuel, les modèles sont un analogue des réponses électrochimiques que le cerveau effectue pour identifier les odeurs ou les parfums. "
Balazs a déclaré :« Puisque chaque réactif laisse une empreinte digitale spécifique, nous pouvons former une base de données de modèles. Nous pouvons utiliser cette base de données pour détecter un produit chimique dangereux ou une toxine d'origine hydrique en comparant le modèle généré avec d'autres dans la base de données pour identifier une correspondance. pose les bases d'une boîte à outils simple et portable qui vous permet d'ajouter le produit chimique dans une chambre et le motif visuel qui en résulte identifie la substance. C'est un nez chimique à la fois beau et simple. "
Plus d'informations : Moslem Moradi et al, Intégration de la chimie, de l'écoulement des fluides et de la mécanique pour conduire à la formation spontanée de motifs tridimensionnels (3D) dans des microstructures ancrées, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2319777121
Fourni par l'Université de Pittsburgh
