En utilisant des résonateurs de lumière polymères microscopiques qui se dilatent en présence de gaz spécifiques, des chercheurs du Quantum Photonics Laboratory du MIT ont développé de nouveaux capteurs optiques avec des niveaux de détection prédits de l'ordre des parties par milliard. Les capteurs optiques sont idéaux pour détecter les concentrations de gaz traces en raison de leur rapport signal/bruit élevé, compact, caractère léger, et l'immunité aux interférences électromagnétiques.

Bien que d'autres capteurs optiques de gaz aient été développés auparavant, l'équipe du MIT a conçu un système extrêmement sensible, moyen compact de détecter des quantités infimes de molécules cibles. Ils décrivent leur nouvelle approche dans la revue Lettres de physique appliquée .

Les chercheurs ont fabriqué des cavités cristallines photoniques à l'échelle de la longueur d'onde à partir de PMMA, un polymère peu coûteux et flexible qui gonfle lorsqu'il entre en contact avec un gaz cible. Le polymère est infusé de colorant fluorescent, qui émet sélectivement à la longueur d'onde de résonance de la cavité grâce à un processus appelé effet Purcell. A cette résonance, une couleur de lumière spécifique se réfléchit plusieurs milliers de fois avant de finalement s'échapper. Un filtre spectral détecte ce petit décalage de couleur, qui peut se produire même à un niveau inférieur au nanomètre, un gonflement de la cavité, et révèle à son tour la concentration de gaz.

« Ces polymères sont souvent utilisés comme revêtements sur d'autres matériaux, ils sont donc abondants et sûrs à manipuler. En raison de leur déformation en réponse à des substances biochimiques, les capteurs à cavité entièrement constitués de ce polymère conduisent à un capteur avec une réponse plus rapide et une sensibilité beaucoup plus élevée, " a déclaré Hannah Clevenson. Clevenson est doctorant au département de génie électrique et informatique du MIT, qui a dirigé l'effort expérimental dans le laboratoire du chercheur principal Dirk Englund.

Le PMMA peut être traité pour interagir spécifiquement avec une large gamme de produits chimiques cibles différents, rendant la conception des capteurs de l'équipe du MIT très polyvalente. Il existe un large éventail d'applications potentielles pour le capteur, dit Clevenson, « de la détection industrielle dans les grandes usines chimiques pour les applications de sécurité, à la détection environnementale sur le terrain, aux applications de sécurité intérieure pour la détection de gaz toxiques, en milieu médical, où le polymère pourrait être traité pour des anticorps spécifiques."

Les films minces polymères PMMA, qui font 400 nanomètres d'épaisseur, sont modelés avec des structures de 8 à 10 micromètres de long sur 600 nanomètres de large et suspendues dans l'air. Dans une expérience, les films ont été incrustés sur du papier de soie, ce qui a permis à 80 pour cent des capteurs d'être suspendus au-dessus des entrefers du papier. Il est important d'entourer le film PMMA d'air, Clevenson a dit, à la fois parce qu'il permet à l'appareil de gonfler lorsqu'il est exposé au gaz cible, et parce que les propriétés optiques de l'air permettent au dispositif d'être conçu pour piéger la lumière se déplaçant dans le film polymère.

L'équipe a découvert que ces capteurs sont facilement réutilisables puisque le polymère rétrécit à sa longueur d'origine une fois que le gaz ciblé a été retiré.

La sensibilité expérimentale actuelle des appareils est de 10 parties par million, mais l'équipe prédit qu'avec plus de raffinement, ils pourraient détecter des gaz avec des niveaux de concentration en partie par milliard.