L'environnement mondial souffre de la pollution de l'air due à un excès de matières particulaires, entraînant des coûts sociétaux et économiques énormes. La qualité de l'air est généralement caractérisée par la concentration massique de particules fines avec des diamètres aérodynamiques inférieurs à 2,5 µm (PM2,5), qui est principalement apporté par des particules de taille micronique, alors que le danger induit par les particules ultrafines (de diamètre inférieur à des centaines de nanomètres) reste gravement sous-estimé. En plus de leur diffusion massive, les distributions granulométriques des particules en suspension dans l'air deviennent de plus en plus importantes pour l'évaluation des risques atmosphériques.

Une équipe dirigée par le professeur Xiao Yun-Feng de l'Université de Pékin propose et démontre un profil bas, haute précision, sans cavité, et un système de sondage de taille en temps réel fonctionnant dans un environnement ouvert utilisant une structure de réseau de nanoguides d'ondes avec un champ évanescent puissant. Ce travail a été publié en ligne dans Lumière :science et applications .

On pense que les particules ultrafines ont des implications sur la santé encore plus agressives que les particules plus grosses, car ils peuvent pénétrer dans les poumons, causant le cancer du poumon, et peut pénétrer davantage la barrière air-sang, envahissant le système circulatoire et entraînant des maladies respiratoires et même un dysfonctionnement des organes. Un article présenté dans Science souligne que l'inhalation de polluants ultrafins en suspension dans l'air peut attaquer le cerveau et peut même augmenter les risques de maladie d'Alzheimer et d'autres formes de démence. Par conséquent, plus d'attention devrait être accordée aux particules ultrafines, et leurs distributions de taille. Par rapport aux techniques conventionnelles d'analyse des aérosols pour mesurer les distributions granulométriques des matières particulaires, les méthodes optiques présentent un grand potentiel pour mesurer les distributions granulométriques des matières particulaires en raison de leur nature non destructive, immunité aux bruits électromagnétiques, et une capacité de détection in situ en temps réel.

Les méthodes optiques typiques pour mesurer la taille des nanoparticules utilisent principalement des méthodes d'absorption ou de diffusion. Cependant, les méthodes d'absorption ne sont applicables que pour les cibles avec pertes, tandis que les méthodes de diffusion conventionnelles utilisant la lumière laser en espace libre doivent être utilisées dans une cavité fermée pour éviter les perturbations causées par la lumière ambiante, rendant ainsi le système assez compliqué. Les systèmes de détection à microcavité optique récemment développés utilisant des méthodes de diffusion ont supprimé l'exigence d'une cavité fermée et ont atteint une limite de détection basse sans précédent. Cependant, le dimensionnement basé sur la microcavité nécessite généralement une source laser accordable et le contrôle strict du couplage en champ proche.

Dans la parution, les chercheurs ont développé un spectromètre de taille sans cavité pour sonder les particules fines et ultrafines sans avoir besoin d'un laser accordable et d'un contrôle de couplage en champ proche. "L'appareil utilise la diffusion améliorée des particules perturbées dans de forts champs optiques évanescents, et le composant de sondage est un réseau de nanofibres à motifs en serpentin. Les informations de taille de l'analyte sont lues en surveillant les chutes de puissance de la lumière transmise dues à la diffusion induite par les nanoparticules. Une résolution de dimensionnement de 10 nm est obtenue pour des nanoparticules de polystyrène (PS) standard de 100 nm de diamètre en optimisant les polarisations de la lumière de la sonde », a déclaré le Dr Yu Xiao-Chong, chercheur postdoctoral à l'Université de Pékin, et le premier auteur de cet ouvrage.

Le travail met en évidence le spectromètre de taille en sondant l'évolution des particules atmosphériques à l'hiver 2015 et 2016. Lorsque les particules en suspension dans l'air affluent sur le nanoguide d'onde, la puissance lumineuse transmise dépend fortement de la taille des particules, et ainsi les distributions de taille peuvent être obtenues en temps réel. L'évolution des diamètres des particules dans l'atmosphère de Pékin est suivie au pas de 20 nm. En utilisant l'indice de réfraction moyen et la densité des particules, l'évolution de la distribution granulométrique est prête à être convertie en celle de la distribution massique. La tendance de l'évolution des résultats expérimentaux PM1.0 est cohérente avec celle des données officielles PM2.5, valider la capacité de dimensionnement du spectromètre de dimension.

"Sauf pour les distributions de masse, les distributions de taille sont plus importantes, parce que les particules d'un diamètre de plusieurs centaines de nanomètres peuvent causer des dommages irréversibles aux organes, mais les données conventionnelles sur les PM2,5 sont principalement fournies par des particules plus grosses", a déclaré le professeur Qiu Cheng-Wei, le collaborateur de l'Université nationale de Singapour. "Le spectromètre de taille développé est supérieur pour surveiller les particules plus petites et a montré une limite de détection de 100 nm. Cet appareil peut non seulement être appliqué à l'évaluation de la qualité de l'air, mais peut également trouver des applications dans les industries où la taille des nanoparticules doit être suivie, " a déclaré le professeur Xiao.