Nouvelle technologie en cours de développement à l'Université de Californie, Berkeley, pourrait bientôt donner aux chiens renifleurs de bombes une sérieuse concurrence.

Une équipe de chercheurs dirigée par Xiang Zhang, professeur de génie mécanique à l'UC Berkeley, a trouvé un moyen d'augmenter considérablement la sensibilité d'un capteur plasmon à base de lumière pour détecter des concentrations incroyablement infimes d'explosifs. Ils ont noté qu'il pourrait potentiellement être utilisé pour détecter un explosif difficile à détecter populaire parmi les terroristes.

Leurs conclusions doivent être publiées dimanche, 20 juillet dans la publication avancée en ligne de la revue Nature Nanotechnologie .

Ils ont mis le capteur à l'épreuve avec divers explosifs - 2, 4-dinitrotoluène (DNT), nitrate d'ammonium et nitrobenzène - et a constaté que l'appareil a détecté avec succès les produits chimiques en suspension dans l'air à des concentrations de 0,67 partie par milliard, 0,4 parties par milliard et 7,2 parties par million, respectivement. Une partie par milliard équivaudrait à un brin d'herbe sur un terrain de football.

Les chercheurs ont noté que cela est beaucoup plus sensible que les résultats publiés à ce jour pour d'autres capteurs optiques.

"Les capteurs optiques d'explosifs sont très sensibles et compacts, " dit Zhang, qui est également directeur de la division des sciences des matériaux au Lawrence Berkeley National Laboratory et directeur du National Science Foundation Nanoscale Science and Engineering Center à UC Berkeley. « La capacité d'agrandir une si petite trace d'explosif pour créer un signal détectable est un développement majeur dans la technologie des capteurs à plasmons, qui est l'un des outils les plus puissants dont nous disposons aujourd'hui."

Le nouveau capteur pourrait présenter de nombreux avantages par rapport aux méthodes actuelles de détection des bombes.

« Les chiens renifleurs de bombes coûtent cher à dresser et ils peuvent devenir fatigués, " a déclaré Ren-Min Ma, co-auteur principal de l'étude, un professeur adjoint de physique à l'Université de Pékin qui a fait ce travail lorsqu'il était chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zhang. "L'autre chose que nous voyons dans les aéroports est l'utilisation d'écouvillons pour vérifier les résidus explosifs, mais ceux-ci ont une sensibilité relativement faible et nécessitent un contact physique. Notre technologie pourrait conduire à une puce de détection de bombe pour un appareil portable capable de détecter les minuscules traces de vapeur dans l'air des petites molécules de l'explosif. »

Le capteur pourrait également être développé en une alarme pour les mines terrestres non explosées qui sont autrement difficiles à détecter, les chercheurs ont dit. Selon les Nations Unies, les mines terrestres tuent 15, 000 à 20, 000 personnes chaque année. La plupart des victimes sont des enfants, les femmes et les personnes âgées.

Instable et avide d'électrons

Le capteur plasmon nanométrique utilisé dans les expériences de laboratoire est beaucoup plus petit que les autres détecteurs d'explosifs sur le marché. Il se compose d'une couche de sulfure de cadmium, un semi-conducteur, posé sur une feuille d'argent avec une couche de fluorure de magnésium au milieu.

Lors de la conception de l'appareil, les chercheurs ont profité de la composition chimique de nombreux explosifs, en particulier les composés nitro tels que le DNT et son parent plus connu, TNT. Non seulement les groupes nitro instables rendent les produits chimiques plus explosifs, ils sont aussi typiquement déficients en électrons, les chercheurs ont dit. Cette qualité augmente l'interaction des molécules avec les défauts de surface naturels sur le semi-conducteur. L'appareil fonctionne en détectant l'augmentation de l'intensité du signal lumineux résultant de cette interaction.

Utilisation potentielle pour détecter les explosifs difficiles à détecter

"Nous pensons qu'une plus grande carence en électrons des explosifs conduit à une interaction plus forte avec le capteur semi-conducteur, " a déclaré Sadao Ota, co-auteur principal de l'étude, un ancien Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Zhang qui est maintenant professeur adjoint de chimie à l'Université de Tokyo.

À cause de ce, les chercheurs espèrent que leur capteur laser à plasmon pourra détecter le tétranitrate de pentaérythritol, ou PETN, un composé explosif considéré comme un favori des terroristes. De petites quantités de celui-ci emballent un puissant coup de poing, et parce qu'il est en plastique, il s'échappe des appareils à rayons X lorsqu'il n'est pas connecté aux détonateurs. C'est l'explosif trouvé dans la bombe de chaussures de Richard Reid en 2001 et la bombe de sous-vêtements d'Umar Farouk Abdulmtallab en 2009.

Le procureur général des États-Unis, Eric Holder Jr., a récemment été cité dans des articles de presse comme ayant « extrême, inquiétude extrême » concernant les fabricants de bombes yéménites qui joignent leurs forces à des militants syriens pour développer ces bombes difficiles à détecter, qui peuvent être cachés dans les téléphones portables et les appareils mobiles.

"Le PETN a plus de groupes fonctionnels nitro et est plus déficient en électrons que le DNT que nous avons détecté dans nos expériences, donc la sensibilité de notre appareil devrait être encore plus élevée qu'avec DNT, " dit Maman.

Dernière génération de capteurs plasmons

Le capteur représente la dernière étape de la technologie des capteurs à plasmons de surface, qui est maintenant utilisé dans le domaine médical pour détecter des biomarqueurs dans les premiers stades de la maladie.

La capacité d'augmenter la sensibilité des capteurs optiques était traditionnellement limitée par la limite de diffraction, une limitation de la physique fondamentale qui oblige à un compromis entre la durée et la faible quantité de lumière pouvant être piégée. En couplant des ondes électromagnétiques avec des plasmons de surface, les électrons oscillants trouvés à la surface des métaux, les chercheurs ont pu presser la lumière dans des espaces nanométriques, mais maintenir l'énergie confinée était difficile car la lumière a tendance à se dissiper à la surface d'un métal.

Le nouvel appareil s'appuie sur des travaux antérieurs sur les lasers à plasmons du laboratoire de Zhang qui ont compensé cette fuite de lumière en utilisant des réflecteurs pour faire rebondir les plasmons de surface à l'intérieur du capteur - de la même manière que les ondes sonores sont réfléchies à travers la pièce dans une galerie de chuchotements - et utiliser le gain optique du semi-conducteur pour amplifier l'énergie lumineuse.

Zhang a déclaré que le capteur amplifié crée un signal beaucoup plus fort que les capteurs à plasmons passifs actuellement disponibles, qui fonctionnent en détectant les changements dans la longueur d'onde de la lumière. "La différence d'intensité est similaire au passage d'une ampoule pour lampe de table à un pointeur laser, ", a-t-il déclaré. "Nous créons un signal plus net qui permet de détecter plus facilement des changements encore plus petits pour de minuscules traces d'explosifs dans l'air."