Imaginez :une lentille optique si puissante qu'elle vous permet de visualiser des caractéristiques de la taille d'un petit virus à la surface d'une cellule vivante dans son environnement naturel.

La construction d'instruments avec cette capacité est désormais possible grâce à une avancée fondamentale dans la qualité d'un matériau optique utilisé en hyperlentille, une méthode de création de lentilles qui peuvent résoudre des objets beaucoup plus petits que la longueur d'onde de la lumière. La réalisation a été rapportée par une équipe de chercheurs dirigée par Joshua Caldwell, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université Vanderbilt, dans un article publié le 11 décembre dans la revue Matériaux naturels .

Le matériau optique impliqué est le nitrure de bore hexagonal (hBN), un cristal naturel aux propriétés hyperlentissantes. La meilleure résolution précédemment rapportée en utilisant hBN était un objet environ 36 fois plus petit que la longueur d'onde infrarouge utilisée :environ la taille de la plus petite bactérie. Le nouvel article décrit des améliorations de la qualité du cristal qui améliorent sa capacité d'imagerie potentielle d'environ un facteur dix.

Les chercheurs ont réalisé cette amélioration en fabriquant des cristaux de hBN à l'aide de bore purifié isotopiquement. Le bore naturel contient deux isotopes dont le poids diffère d'environ 10 %, une combinaison qui dégrade considérablement les propriétés optiques du cristal dans l'infrarouge.

« Nous avons démontré que les limites d'efficacité inhérentes aux hyperlentilles peuvent être surmontées grâce à l'ingénierie isotopique, " a déclaré le membre de l'équipe Alexander Giles, chercheur en physique au Laboratoire de recherche naval des États-Unis. « Le contrôle et la manipulation de la lumière à des dimensions nanométriques sont notoirement difficiles et inefficaces. Notre travail ouvre une nouvelle voie à suivre pour la prochaine génération de matériaux et de dispositifs. »

Des chercheurs de l'Université de Californie, San Diego, Université d'État du Kansas, Le Laboratoire national d'Oak Ridge et l'Université Columbia ont également contribué à l'étude.

Les chercheurs calculent qu'une lentille fabriquée à partir de leur cristal purifié peut en principe capturer des images d'objets aussi petits que 30 nanomètres. Pour mettre cela en perspective, il y a 25 millions de nanomètres dans un pouce et les cheveux humains vont de 80, 000 à 100, 000 nanomètres de diamètre. Un globule rouge humain est d'environ 9, 000 nanomètres et les virus vont de 20 à 400 nanomètres.

Au cours des années, les scientifiques ont développé de nombreux instruments capables de produire des images avec une résolution nanométrique, tels que les microscopes à base d'électrons et à force atomique. Cependant, ils sont incompatibles avec les organismes vivants :soit ils fonctionnent sous vide poussé, exposer les échantillons à des niveaux nocifs de rayonnement, nécessitent des techniques mortelles de préparation d'échantillons comme la lyophilisation ou retirent les échantillons de leur milieu naturel, environnement basé sur des solutions.

La principale raison du développement des hyperlentilles est la possibilité qu'elles puissent fournir des images aussi détaillées de cellules vivantes dans leur environnement naturel en utilisant une lumière à faible énergie qui ne les nuit pas. En outre, l'utilisation de la lumière infrarouge pour effectuer l'imagerie peut également fournir des informations spectroscopiques sur les objets qu'elle image, fournissant un moyen de « prendre les empreintes digitales » du matériau. Ces capacités pourraient avoir un impact significatif sur la science biologique et médicale. La technologie a également des applications potentielles dans les communications et les composants optiques à l'échelle nanométrique.

La physique des hyperlentilles est assez complexe. Le niveau de détail que les microscopes optiques peuvent imager est limité par la longueur d'onde de la lumière et l'indice de réfraction du matériau de la lentille. Lorsqu'il est combiné avec les facteurs d'ouverture de l'objectif, distance de l'objet à la lentille et l'indice de réfraction de l'objet observé, cela se traduit par une limite optique typique d'environ la moitié de la longueur d'onde utilisée pour l'imagerie. Aux longueurs d'onde infrarouges utilisées dans cette expérience, cette "limite de diffraction" est d'environ 3, 250 nanomètres. Cette limite peut être dépassée en utilisant hBN en raison de sa capacité à prendre en charge les polaritons de phonons de surface, particules hybrides constituées de photons de lumière se couplant avec des vibrations, atomes chargés dans un cristal qui ont des longueurs d'onde beaucoup plus courtes que la lumière incidente.

Autrefois, le problème avec l'utilisation des polaritons de cette manière a été la rapidité avec laquelle ils se dissipent. En utilisant des cristaux de hBN fabriqués à partir de 99% de bore isotopiquement pur, les chercheurs ont mesuré une réduction spectaculaire des pertes optiques par rapport aux cristaux naturels, tripler la durée de vie du polariton, ce qui leur permet de parcourir le triple de la distance. Cette amélioration se traduit par une amélioration significative de la résolution de l'imagerie. L'analyse théorique des chercheurs suggère qu'un autre facteur d'amélioration de dix est possible.

"Actuellement, nous avons testé de très petits flocons de hBN purifié, " a déclaré Caldwell. "Nous pensons que nous verrons encore plus d'améliorations avec des cristaux plus gros."

En 1654, Anton van Leeuwenhoek a utilisé l'un des premiers microscopes fabriqués à la main pour découvrir le monde jusqu'alors inconnu de la vie microscopique. Cette dernière avancée dans le développement des hyperlentilles est une étape importante vers la découverte de van Leeuwenhoek à un tout autre niveau, celui qui permettra aux biologistes d'observer directement les processus cellulaires en action, comme les virus envahissant les cellules ou les cellules immunitaires attaquant les envahisseurs étrangers.