Des instruments qui mesurent les propriétés de la lumière, connu sous le nom de spectromètres, sont largement utilisés en physique, chimique, et la recherche biologique. Ces appareils sont généralement trop volumineux pour être portables, mais les scientifiques du MIT ont maintenant montré qu'ils peuvent créer des spectromètres suffisamment petits pour tenir dans l'appareil photo d'un smartphone, utilisant de minuscules nanoparticules semi-conductrices appelées points quantiques.

De tels dispositifs pourraient être utilisés pour diagnostiquer des maladies, en particulier les affections cutanées, ou pour détecter les polluants environnementaux et les conditions alimentaires, dit Jie Bao, un ancien postdoctorant du MIT et l'auteur principal d'un article décrivant les spectromètres à points quantiques dans le numéro du 2 juillet de La nature .

Ce travail représente également une nouvelle application pour les boîtes quantiques, qui ont été utilisés principalement pour le marquage de cellules et de molécules biologiques, ainsi que dans les écrans d'ordinateur et de télévision.

"L'utilisation de points quantiques pour les spectromètres est une application si simple par rapport à tout ce que nous avons essayé de faire, et je pense que c'est très attrayant, " dit Moungi Bawendi, le professeur de chimie Lester Wolfe au MIT et l'auteur principal de l'article.

Spectromètres à rétraction

Les premiers spectromètres étaient constitués de prismes qui séparent la lumière en ses longueurs d'onde constitutives, tandis que les modèles actuels utilisent des équipements optiques tels que des réseaux de diffraction pour obtenir le même effet. Les spectromètres sont utilisés dans une grande variété d'applications, comme l'étude des processus atomiques et des niveaux d'énergie en physique, ou l'analyse d'échantillons de tissus pour la recherche biomédicale et le diagnostic.

Le remplacement de cet équipement optique volumineux par des points quantiques a permis à l'équipe du MIT de réduire les spectromètres à environ la taille d'un quart américain, et de tirer parti de certaines des propriétés utiles inhérentes aux points quantiques.

Points quantiques, un type de nanocristaux découvert au début des années 1980, sont fabriqués en combinant des métaux tels que le plomb ou le cadmium avec d'autres éléments dont le soufre, sélénium, ou d'arsenic. En contrôlant le rapport de ces matières premières, la température, et le temps de réaction, les scientifiques peuvent générer un nombre presque illimité de points avec des différences dans une propriété électronique connue sous le nom de bande interdite, qui détermine les longueurs d'onde de la lumière que chaque point va absorber.

Cependant, la plupart des applications existantes pour les points quantiques ne tirent pas parti de cette vaste gamme d'absorbance lumineuse. Au lieu, la plupart des candidatures, comme l'étiquetage des cellules ou de nouveaux types d'écrans de télévision, exploiter la fluorescence des points quantiques, une propriété beaucoup plus difficile à contrôler, dit Bawendi. "C'est très difficile de faire quelque chose qui est très fluorescent, " dit-il. " Vous devez protéger les points, vous devez faire toute cette ingénierie."

Les scientifiques travaillent également sur des cellules solaires basées sur des points quantiques, qui reposent sur la capacité des points à convertir la lumière en électrons. Cependant, ce phénomène n'est pas bien compris, et est difficile à manipuler.

D'autre part, les propriétés d'absorption des points quantiques sont bien connues et très stables. « Si nous pouvons nous fier à ces propriétés, il est possible de créer des applications qui auront un impact plus important à relativement court terme, " dit Bao.

Large spectre

Le nouveau spectromètre à points quantiques déploie des centaines de matériaux à points quantiques qui filtrent chacun un ensemble spécifique de longueurs d'onde de lumière. Les filtres à points quantiques sont imprimés dans un film mince et placés au-dessus d'un photodétecteur tel que les dispositifs à couplage de charge (CCD) que l'on trouve dans les appareils photo des téléphones portables.

Les chercheurs ont créé un algorithme qui analyse le pourcentage de photons absorbés par chaque filtre, puis recombine les informations de chacun pour calculer l'intensité et la longueur d'onde des rayons lumineux d'origine.

Plus il y a de matériaux de points quantiques, plus on peut couvrir de longueurs d'onde et plus on peut obtenir une résolution plus élevée. Dans ce cas, les chercheurs ont utilisé environ 200 types de points quantiques répartis sur une plage d'environ 300 nanomètres. Avec plus de points, de tels spectromètres pourraient être conçus pour couvrir une gamme encore plus large de fréquences lumineuses.

"Bawendi et Bao ont montré une belle façon d'exploiter l'absorption optique contrôlée des points quantiques semi-conducteurs pour les spectromètres miniatures. Ils démontrent un spectromètre qui n'est pas seulement petit, mais aussi avec un haut débit et une haute résolution spectrale, qui n'a jamais été atteint auparavant, " dit Feng Wang, un professeur agrégé de physique à l'Université de Californie à Berkeley qui n'était pas impliqué dans la recherche.

S'il est intégré à de petits appareils portables, ce type de spectromètre pourrait être utilisé pour diagnostiquer des affections cutanées ou analyser des échantillons d'urine, dit Bao. Ils pourraient également être utilisés pour suivre les signes vitaux tels que le pouls et le niveau d'oxygène, ou pour mesurer l'exposition à différentes fréquences de lumière ultraviolette, qui varient considérablement dans leur capacité à endommager la peau.

« Le composant central de ces spectromètres, le réseau de filtres à points quantiques, est fabriqué avec un traitement et une impression basés sur des solutions, permettant ainsi une réduction potentielle significative des coûts, ", ajoute Bao.