Les chercheurs de l'AMOLF ont utilisé les propriétés particulières des semi-conducteurs pérovskites pour développer un test de pulvérisation simple permettant de démontrer la présence de plomb. La pérovskite est un matériau adapté par exemple à une utilisation dans les LED et les cellules solaires. Une surface contenant du plomb brille d’un vert vif lorsqu’elle est pulvérisée avec le test. Ce test est 1 000 fois plus sensible que les tests existants et les chercheurs n’ont trouvé aucun résultat faussement positif ou faussement négatif. L'étude a été publiée le 27 novembre dans la revue Environmental Science &Technology. .

"Nous avons détourné la technologie des semi-conducteurs pérovskites et l'avons utilisée dans un test de plomb largement déployable. Personne dans cette discipline n'y avait jamais pensé", explique Lukas Helmbrecht, chercheur au groupe Self-Organizing Matter dirigé par Wim Noorduin à l'AMOLF. "Nous sommes très satisfaits de ces résultats", déclare Noorduin. "C'est un projet vraiment cool et il est assez rare que la recherche fondamentale ait un impact littéral sur le monde entier avec une application."

La science à la maison

Il y a quelques années, le groupe a développé un procédé en deux étapes pour transformer une structure calcique, telle que le squelette d'un oursin, en semi-conducteur. Le carbonate de calcium du squelette réagit alors et se transforme en pérovskite de plomb, un matériau semi-conducteur qui émet de la lumière sous une lampe UV.

Alors qu’il était coincé chez lui pendant la pandémie de COVID-19, Noorduin a réfléchi à d’autres applications possibles de ce matériau. Dans le même temps, il a entendu parler des risques considérables pour la santé liés à l'exposition au plomb, en particulier pour les jeunes enfants qui peuvent subir des lésions cérébrales. Un simple test pour démontrer la présence de plomb pourrait aider à réduire une telle exposition et peut-être que les propriétés électroluminescentes de la pérovskite de plomb pourraient y contribuer.

Noorduin a emporté chez lui une solution qui pourrait former une pérovskite si elle entrait en contact avec du plomb, et il l'a pulvérisée sur une gouttière. Cela a immédiatement émis une couleur vert vif. À sa grande surprise, la même chose s'est produite avec la peinture sur le cadre de la fenêtre adjacente, qui s'est également allumée. Les deux surfaces contenaient une forme de plomb. La lumière verte est luminescente et révèle la formation du semi-conducteur pérovskite de plomb. "Cela a fonctionné si facilement que nous avons commencé à réfléchir à développer un test pour détecter le plomb sur une large gamme de surfaces."

Seul le plomb s'allume

Helmbrecht a relevé le défi et a découvert qu'une solution de bromure de méthylammonium était la plus efficace. Dès que cette solution entre en contact avec un composé de plomb, elle forme immédiatement une pérovskite de plomb, qui s'allume en vert vif sous la lumière UV. Helmbrecht a essayé une gamme de surfaces, depuis les tuyaux en plomb et la peinture jusqu'aux sels de plomb, en passant par le verre et les plastiques tels que le PVC et les fils électriques. Ils se sont tous allumés en vert vif, preuve de la présence de plomb. Si une solution d'iodure ou de chlorure est utilisée à la place du bromure, la lumière émise est respectivement rouge ou bleue.

En outre, Helmbrecht a testé plus de cinquante matériaux ne contenant pas de plomb mais contenant des éléments similaires, tels que l'étain, l'aluminium et le cuivre. Aucun d’entre eux ne s’est allumé. Cela indique que le test est hautement chimiosélectif. Le test révèle des concentrations de plomb d’un nanogramme par mm2, alors que la plupart des tests actuels ont une précision ne dépassant pas quelques microgrammes par mm2. Le nouveau test est donc 1000 fois plus sensible.

Il est intéressant de noter que le composé de plomb dans lequel le matériau contient du plomb métallique ou l'un des sels de plomb n'a pas d'importance. Noorduin explique :« Il semble que tous les composés soient convertis en ce que l'on appelle la valence 2+ du plomb. Nous ne sommes pas surpris que la réaction chimique ne fonctionne qu'avec le plomb. Nous le savons grâce aux travaux sur les cellules solaires à pérovskite et les LED. La réaction limitée est un inconvénient pour les cellules solaires, mais pour notre test, c'est un avantage car cela rend le test très sélectif. Nous avons cependant été étonnés que le test fonctionne pour autant de matériaux contenant du plomb différents.

Le déroulement exact de la réaction chimique est encore à l'étude, explique Noorduin. "Nous pensons qu'il s'agit d'un processus en plusieurs étapes dans lequel le plomb se dissout d'abord un peu, subit éventuellement une réaction redox et forme ensuite un sel de plomb, qui est ensuite transformé en pérovskite. Cependant, la réaction est si rapide que nous ne sommes pas sûrs de cela." mais capable de détecter les étapes."

Les connaissances issues de cette étude, qui, après tout, a commencé avec des recherches sur les semi-conducteurs pérovskites, pourraient, à leur tour, stimuler le même type de recherche dans le développement de meilleures cellules solaires ou LED à partir de pérovskite, par exemple.

Bénéfices pour la santé dans le monde entier

Une spin-off de cette recherche est la société Lumetallix, que Helmbrecht et Noorduin créent en collaboration avec Jeroen van den Bosch, avec l'arrivée récente de Xander Terpstra (CCO). Avec l'AMOLF, ils détiennent conjointement un brevet international sur le procédé et le développement d'un kit de test universel. C'est à la fois abordable et facile à utiliser pour tous ceux qui souhaitent savoir si le plomb est présent dans l'environnement. Les kits de test peuvent être commandés via le site Internet. Les chercheurs travaillent également avec des ONG du monde entier pour diffuser les kits auprès de la population locale, en Inde et en Côte d'Ivoire, par exemple. Cela permettrait aux gens de prendre eux-mêmes des mesures pour éliminer le plomb et ainsi prévenir les problèmes de santé.

"Le fait qu'une surface contenant du plomb s'allume en vert vif après sa pulvérisation présente de nombreux avantages par rapport au test existant qui ne montre qu'un changement de couleur", explique Helmbrecht. "Tout d'abord, le test existant ne fonctionne pas pour les personnes daltoniennes. Deuxièmement, notre test émet de la lumière si du plomb est détecté, ce qui signifie que vous pouvez également observer le résultat sans effort dans des endroits sombres comme les caves. Troisièmement, le fait que quelque chose s'allume est à la fois magique et alarmant. Nous espérons donc trouver davantage de personnes disposées à faire le test afin que nous puissions sensibiliser davantage à la présence de plomb, également ici aux Pays-Bas."

Plus d'informations : Lukas Helmbrecht et al, Détection directe du plomb dans l'environnement par formation de pérovskite photoluminescente avec une sensibilité nanogramme, Science et technologie de l'environnement (2023). DOI :10.1021/acs.est.3c06058

Informations sur le journal : Sciences et technologies environnementales

Fourni par AMOLF