Les scientifiques ont conçu un appareil ultra-miniaturisé qui pourrait directement imager des cellules individuelles sans avoir besoin d'un microscope ou rendre possible l'analyse chimique des empreintes digitales à partir d'un smartphone.

Le dispositif, constitué d'un seul nanofil 1000 fois plus fin qu'un cheveu humain, est le plus petit spectromètre jamais conçu. Il pourrait être utilisé dans des applications potentielles telles que l'évaluation de la fraîcheur des aliments, la qualité des médicaments, voire identifier des objets contrefaits, le tout à partir d'un appareil photo de smartphone. Les détails sont rapportés dans le journal Science .

Au XVIIe siècle, Isaac Newton, par ses observations sur la division de la lumière par un prisme, a semé les graines d'un nouveau domaine scientifique étudiant les interactions entre la lumière et la matière :la spectroscopie. Aujourd'hui, les spectromètres optiques sont des outils essentiels dans l'industrie et presque tous les domaines de la recherche scientifique. En analysant les caractéristiques de la lumière, les spectromètres peuvent nous renseigner sur les processus au sein des nébuleuses galactiques, à des millions d'années-lumière, jusqu'aux caractéristiques des molécules de protéines.

Cependant, même maintenant, la majorité des spectromètres sont basés sur des principes similaires à ce que Newton a démontré avec son prisme :la séparation spatiale de la lumière en différentes composantes spectrales. Une telle base limite fondamentalement la taille des spectromètres en respect :ils sont généralement encombrants et complexes, et difficile de réduire à des tailles beaucoup plus petites qu'une pièce de monnaie. Quatre cents ans après Newton, Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont surmonté ce défi pour produire un système jusqu'à mille fois plus petit que ceux précédemment rapportés.

L'équipe de Cambridge, travailler avec des collègues du Royaume-Uni, Chine et Finlande, utilisé un nanofil dont la composition matérielle est variée sur sa longueur, lui permettant d'être sensible à différentes couleurs de lumière à travers le spectre visible. Utilisant des techniques similaires à celles utilisées pour la fabrication de puces informatiques, ils ont ensuite créé une série de sections sensibles à la lumière sur ce nanofil.

"Nous avons conçu un nanofil qui nous permet de nous débarrasser des éléments dispersifs, comme un prisme, produire un bien plus simple, système ultra-miniaturisé que ne permettent les spectromètres classiques, ", a déclaré le premier auteur Zongyin Yang du Cambridge Graphene Center. "Les réponses individuelles que nous obtenons des sections de nanofils peuvent ensuite être directement introduites dans un algorithme informatique pour reconstruire le spectre de la lumière incidente."

"Quand tu prends une photo, l'information stockée dans les pixels est généralement limitée à seulement trois composants-rouge, vert, et bleu, " a déclaré le co-premier auteur Tom Albrow-Owen. " Avec notre appareil, chaque pixel contient des points de données de tout le spectre visible, ainsi nous pouvons acquérir des informations détaillées bien au-delà des couleurs que nos yeux peuvent percevoir. Cela peut nous dire, par exemple, sur les processus chimiques se produisant dans le cadre de l'image."

« Notre approche pourrait permettre une miniaturisation sans précédent des dispositifs spectroscopiques, dans une mesure qui pourrait les voir incorporés directement dans les smartphones, apporter des technologies analytiques puissantes du laboratoire à la paume de nos mains, " a déclaré le Dr Tawfique Hasan, qui a dirigé l'étude.

L'une des utilisations potentielles les plus prometteuses du nanofil pourrait être en biologie. Étant donné que l'appareil est si petit, il peut directement imager des cellules individuelles sans avoir besoin d'un microscope. Et contrairement à d'autres techniques de bio-imagerie, les informations obtenues par le spectromètre à nanofils contiennent une analyse détaillée de l'empreinte chimique de chaque pixel.

Les chercheurs espèrent que la plate-forme qu'ils ont créée pourrait conduire à une toute nouvelle génération de spectromètres ultra-compacts fonctionnant de l'ultraviolet à l'infrarouge. Ces technologies pourraient être utilisées pour un large éventail de consommateurs, recherche et applications industrielles, y compris dans les systèmes de laboratoire sur puce, implants biologiques, et les appareils portables intelligents.

L'équipe de Cambridge a déposé un brevet sur la technologie, et espère voir des applications réelles dans les cinq prochaines années.