Imaginez pointer votre smartphone vers une collation salée que vous avez trouvée au fond de votre garde-manger et savoir immédiatement si ses ingrédients sont devenus rances.

Des appareils appelés spectromètres peuvent détecter des produits chimiques dangereux sur la base d'une « empreinte digitale » unique de la lumière absorbée et émise. Mais ces instruments de division de la lumière ont longtemps été à la fois encombrants et coûteux, empêchant leur utilisation en dehors du laboratoire.

Jusqu'à maintenant. Des ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont développé un spectromètre si petit et si simple qu'il pourrait s'intégrer à l'appareil photo d'un téléphone portable typique sans sacrifier la précision.

"C'est un compact, spectromètre monocoup qui offre une haute résolution avec de faibles coûts de fabrication, " dit Zhu Wang, qui faisait partie de l'équipe d'ingénieurs électriciens qui a créé l'appareil.

Les chercheurs ont publié une description des appareils le 4 mars 2019, dans la revue Communication Nature .

Les appareils de l'équipe ont également une capacité avancée appelée imagerie hyperspectrale, qui collecte des informations sur chaque pixel individuel dans un ordre d'image pour identifier des matériaux ou détecter des objets spécifiques au milieu d'un arrière-plan compliqué. Détection hyperspectrale, par exemple, pourrait être utilisé pour détecter des filons de minéraux précieux dans les parois rocheuses ou pour identifier des plantes spécifiques dans une zone à forte végétation.

L'empreinte spectrale de chaque élément comprend des longueurs d'onde de lumière émises ou absorbées uniques - et la capacité du spectromètre à détecter cette lumière est ce qui a permis aux chercheurs de tout faire, de l'analyse de la composition de composés inconnus à la révélation de la composition des étoiles lointaines.

Les spectromètres s'appuient généralement sur des prismes ou des réseaux pour diviser la lumière émise par un objet en bandes discrètes, chacune correspondant à une longueur d'onde différente. Le photodétecteur d'un appareil photo peut capturer et analyser ces bandes; par exemple, l'empreinte spectrale de l'élément sodium est constituée de deux bandes avec des longueurs d'onde de 589 et 590 nanomètres.

Les yeux humains voient la lumière d'une longueur d'onde de 590 nanomètres sous la forme d'une nuance orange jaunâtre. Les longueurs d'onde plus courtes correspondent aux bleus et aux violets, tandis que les longueurs d'onde plus longues apparaissent en rouge. La lumière du soleil contient un arc-en-ciel complet mélangé, que nous voyons comme blanc.

Pour résoudre la différence entre un mélange de différentes couleurs, les spectromètres doivent généralement être relativement grands avec une longue longueur de trajet pour que les faisceaux lumineux se déplacent et se séparent.

Pourtant, l'équipe a créé de minuscules spectromètres, mesurant seulement 200 micromètres de chaque côté (environ un 20e de la surface d'une pointe de stylo à bille) et suffisamment délicat pour reposer directement sur un capteur d'un appareil photo numérique typique.

Cette petite taille était possible parce que les chercheurs ont basé leur appareil sur des matériaux spécialement conçus qui forcent la lumière entrante à rebondir plusieurs fois avant d'atteindre le capteur. Ces réflexions internes ont allongé le chemin le long duquel la lumière a voyagé sans ajouter de volume, augmenter la résolution des appareils.

Et les appareils effectuaient une imagerie hyperspectrale, résoudre deux images distinctes (des nombres cinq et neuf) à partir d'un instantané d'une projection superposée qui combinait la paire en quelque chose d'indiscernable à l'œil nu.

Désormais, l'équipe espère augmenter la résolution spectrale de l'appareil ainsi que la clarté et la netteté des images qu'il capture. Ces améliorations pourraient ouvrir la voie à des capteurs encore plus perfectionnés.