Une nouvelle technique de surveillance continue de la taille et des propriétés optiques des particules individuelles en suspension dans l'air pourrait offrir un meilleur moyen de surveiller la pollution de l'air. Il est particulièrement prometteur pour l'analyse des particules fines mesurant moins de 2,5 microns (PM2,5), qui peuvent pénétrer profondément dans les poumons et causer des problèmes de santé.

"La pollution de l'air est devenue un problème essentiel dans de nombreux pays, " a déclaré Shangran Xie, chef de l'équipe de recherche du groupe du professeur Philip Russell de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière en Allemagne. " Étant donné que notre configuration est très simple et compacte, il devrait être possible d'en faire un appareil de table pour surveiller en continu les PM2,5 dans l'air dans les zones urbaines et les sites industriels."

Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , les chercheurs décrivent comment ils ont utilisé les forces optiques pour capturer automatiquement les particules dans l'air et les propulser dans une fibre creuse pour analyse. L'approche surmonte plusieurs limitations des méthodes existantes en offrant des solutions hautement reproductibles, des résultats en temps réel et une durée de vie illimitée de l'appareil.

"La caractéristique la plus unique de notre technique est qu'elle peut compter le nombre de particules - qui est lié au niveau de pollution - tout en fournissant simultanément des informations détaillées en temps réel sur la distribution granulométrique et la dispersion chimique, ", a déclaré Xie. "Ces informations supplémentaires pourraient être utiles pour une surveillance rapide et continue de la pollution dans les zones sensibles, par exemple."

Piégeage des particules avec la lumière

Pour la nouvelle approche d'analyse, les particules en suspension dans l'air sont piégées à l'intérieur d'un faisceau laser par des forces optiques et propulsées vers l'avant par la pression de rayonnement. La force de piégeage est suffisamment puissante pour vaincre la force gravitationnelle agissant sur de très petites particules telles que les PM2,5 et aligne automatiquement les particules avec une fibre de cristal photonique à noyau creux. Ces fibres spéciales présentent un noyau central creux et entouré d'une microstructure de verre qui confine la lumière à l'intérieur de la fibre.

Une fois aligné, la lumière laser propulse la particule dans la fibre, provoquant la dispersion de la lumière laser à l'intérieur de la fibre et créant une réduction détectable de la transmission de la fibre. Les chercheurs ont développé un nouvel algorithme de traitement du signal pour récupérer des informations utiles à partir des données de diffusion de particules en temps réel. Après détection, la particule s'éjecte simplement de la fibre sans dégrader l'appareil.

"Le signal de transmission de la fibre nous permet également de mesurer le temps de vol, c'est le temps que met la particule pour traverser la fibre, " dit Abhinav Sharma, le doctorant travaillant sur ce projet. "La baisse de la transmission des fibres ainsi que les informations sur le temps de vol nous permettent de calculer sans ambiguïté la taille des particules et l'indice de réfraction. L'indice de réfraction peut aider à identifier le matériau des particules car cette propriété optique est déjà connue pour la plupart des polluants courants. "

Mesures de précision

Les chercheurs ont testé leur technique en utilisant des particules de polystyrène et de silice de plusieurs tailles différentes. Ils ont découvert que le système pouvait séparer avec précision les types de particules et mesurer la particule de silice de 0,99 micron avec une résolution aussi petite que 18 nanomètres.

Les chercheurs prévoient de tester la capacité du système à analyser les particules qui se trouvent le plus souvent dans l'atmosphère. Ils souhaitent également démontrer la capacité de la technique à effectuer des mesures en liquide, ce qui serait utile pour la surveillance de la pollution de l'eau. Ils ont déposé un brevet sur cette technique et envisagent de continuer à développer des dispositifs prototypes, tels que ceux qui pourraient être utilisés pour surveiller la pollution de l'air à l'extérieur du laboratoire.