(Phys.org) —Le développement d'un «nanobaril» qui piège et concentre la lumière sur des molécules uniques pourrait être utilisé comme test de diagnostic fiable et peu coûteux.

Jeremy Baumberg et son équipe de 30 chercheurs sont des maîtres manipulateurs de la lumière. Ce sont des spécialistes de la nanophotonique - le contrôle de la façon dont la lumière interagit avec de minuscules morceaux de matière, à des échelles aussi petites qu'un milliardième de mètre. C'est un domaine de la physique qui, il y a 20 ans, était inconnu.

Au cœur de la nanophotonique se trouve l'idée que la modification de la structure des matériaux à l'échelle de quelques atomes peut être utilisée pour modifier non seulement la façon dont la lumière interagit avec le matériau, mais aussi ses propriétés fonctionnelles.

"Le but est de concevoir des matériaux avec une architecture vraiment complexe à très petite échelle, si petit qu'il est plus petit que la longueur d'onde de la lumière, " dit Baumberg, Professeur de nanophotonique au Département de physique. « Que la matière première soit du polystyrène ou de l'or, changer la forme de sa nanostructure peut nous donner un contrôle extraordinaire sur la façon dont l'énergie lumineuse est absorbée par les électrons enfermés à l'intérieur. Nous apprenons à l'utiliser pour développer de nouvelles fonctionnalités."

L'une de leurs récentes réalisations est de développer des matériaux synthétiques qui imitent certaines des couleurs les plus frappantes de la nature, parmi eux la teinte irisée des opales. Les opales naturelles sont formées

'Opales polymères', cependant, sont en plastique – comme le polystyrène des gobelets – et se forment en quelques minutes. Avec une chimie intelligente, les chercheurs ont trouvé un moyen de fabriquer des sphères de polystérène enrobées d'une enveloppe extérieure douce semblable à un chewing-gum.

Comme ces opales polymères sont tordues et étirées, des couleurs bleu-vert « métalliques » ondulent sur leur surface. Leur souplesse et la permanence de leur couleur intense en font des matériaux idéaux pour les cartes de sécurité et les billets de banque ou pour remplacer les colorants toxiques dans l'industrie textile.

"L'essentiel est qu'en assemblant les choses de la bonne manière, vous obtenez la fonction que vous voulez, " dit Baumberg, qui a développé les opales polymères avec des collaborateurs en Allemagne (au DKI, maintenant l'Institut Fraunhofer pour la durabilité structurelle et la fiabilité du système). "Si les sphères sont aléatoires, le matériau semble blanc ou incolore, mais si empilé parfaitement régulièrement, vous obtenez de la couleur. Nous avons découvert que le fait d'étaler les sphères les unes contre les autres les fait par magie tomber en lignes régulières et, à cause de la couche de chewing-gum, lorsque vous l'étirez, la couleur change aussi.

"C'est un si bon exemple de nanotechnologie - nous prenons un matériau transparent, nous le découpons sous la bonne forme, nous l'empilons de la bonne manière et nous obtenons une toute nouvelle fonction."

Bien que la nanophotonique soit un domaine relativement nouveau de la recherche sur les matériaux, Baumberg pense que d'ici deux décennies, nous commencerons à voir des matériaux nanophotoniques dans tout, des textiles intelligents aux bâtiments et des colorants alimentaires aux cellules solaires.

Maintenant, l'une des dernières découvertes de l'équipe devrait ouvrir des applications dans le diagnostic médical.

"Nous commençons à apprendre comment nous pouvons fabriquer des matériaux qui répondent optiquement à la présence de molécules individuelles dans les fluides biologiques, " expliqua-t-il. " Il y a une forte demande pour ça. Les médecins généralistes aimeraient pouvoir tester le patient en attendant, plutôt que d'envoyer des échantillons pour des tests cliniques. Et des tests bon marché et fiables profiteraient aux pays en développement qui manquent d'équipements de diagnostic coûteux."

Une technique couramment utilisée dans le diagnostic médical est la spectroscopie Raman, qui détecte la présence d'une molécule par sa « signature optique ». Il mesure comment la lumière est modifiée lorsqu'elle rebondit sur une molécule, qui à son tour dépend des liaisons au sein de la molécule. Cependant, les machines doivent être très puissantes pour détecter ce qui peut être des effets assez faibles.

Baumberg a travaillé avec le Dr Oren Scherman, Directeur du laboratoire Melville de synthèse de polymères au département de chimie, sur une toute nouvelle façon de détecter les molécules qu'ils ont développées à l'aide d'un conteneur moléculaire en forme de tonneau appelé cucurbituril (CB). Agissant comme un petit tube à essai, CB permet à des molécules simples d'entrer dans sa forme de baril, les isoler efficacement d'un mélange de molécules.

En collaboration avec des chercheurs en Espagne et en France, et avec un financement de l'Union européenne, Baumberg et Scherman ont trouvé un moyen de détecter ce qu'il y a dans chaque baril en utilisant la lumière, en combinant les barils avec des particules d'or de seulement quelques milliers d'atomes de diamètre.

"La lumière brillante sur ce mélange de baril d'or concentre et améliore les ondes lumineuses dans de minuscules volumes d'espace exactement là où se trouvent les molécules, " expliqua Baumberg. " En regardant les couleurs de la lumière diffusée, nous pouvons déterminer quelles molécules sont présentes et ce qu'elles font, et avec une sensibilité très élevée."

Alors que la plupart des équipements de détection nécessitent des conditions précises qui ne peuvent réellement être réalisées qu'en laboratoire, cette nouvelle technologie a le potentiel d'être peu coûteuse, capteur fiable et rapide pour les marchés de masse. La quantité d'or requise pour le test est extrêmement faible, et les particules d'or s'auto-assemblent avec le CB à température ambiante.

Maintenant, avec le financement du Conseil de recherches en génie et en sciences physiques, et travailler avec des entreprises et des utilisateurs finaux potentiels (y compris le NHS), Baumberg et Scherman ont commencé le processus de développement de leurs «capteurs plasmoniques» pour tester les fluides biologiques tels que l'urine et les larmes, pour des utilisations telles que la détection de neurotransmetteurs dans le cerveau et d'incompatibilités protéiques entre la mère et le fœtus.

"À la fois, nous voulons comprendre comment aller plus loin avec la technologie, de contrôler les réactions chimiques se produisant à l'intérieur du canon, à faire en sorte que les molécules capturées à l'intérieur se « flex » elles-mêmes, et détecter chacune de ces modifications par changement de couleur, " a ajouté Baumberg.

« La capacité d'observer un petit nombre de molécules dans une mer d'autres intéresse les scientifiques depuis des années. Bientôt, nous pourrons le faire à une échelle sans précédent :observer en temps réel comment les molécules s'assemblent et subissent des réactions chimiques, et même comment ils forment un lien. Cela a d'énormes implications pour l'optimisation de la catalyse dans les processus industriels pertinents et est donc au cœur de presque tous les produits de notre vie."

Baumberg considère la technologie nanophotonique comme une toute nouvelle boîte à outils. "L'excitation pour moi est le défi de la difficulté de la tâche combinée au fait que vous pouvez le voir, si seulement tu pouvais le faire, vous pouvez obtenir des choses incroyables.

« Actuellement, nous sommes capables d'assembler de nouvelles structures aux propriétés optiques différentes de manière hautement contrôlée. A terme, bien que, nous pourrons construire des choses avec la lumière elle-même."