Si la géométrie correcte est donnée, Le graphène est capable de focaliser la lumière sur un point précis de sa surface et "d'entendre" la vibration d'une molécule nanométrique qui lui est attachée. Crédit :EPFL / Miguel Spuch / Daniel Rodrigo
De nombreux domaines de la recherche fondamentale s'intéressent au graphène en raison de ses caractéristiques exceptionnelles. Il est composé d'une couche d'atomes de carbone, ce qui le rend léger et robuste, et c'est un excellent conducteur thermique et électrique. Malgré son potentiel apparemment illimité, cependant, peu d'applications ont été démontrées à ce jour. Des scientifiques du Laboratoire des systèmes bionophotoniques (BIOS) de l'EPFL et des chercheurs de l'Institut des sciences photoniques (ICFO, Espagne) en ont maintenant ajouté un autre. Ils ont exploité les propriétés optiques et électroniques uniques du graphène pour développer un capteur moléculaire reconfigurable hautement sensible.
Les résultats sont décrits dans un article paru dans la dernière édition de la revue Science .
Focaliser la lumière pour améliorer la détection
Les chercheurs ont utilisé le graphène pour améliorer une méthode de détection de molécules bien connue :la spectroscopie d'absorption infrarouge. Dans la méthode standard, la lumière est utilisée pour exciter les molécules, qui vibrent différemment selon leur nature. Elle peut être comparée à une corde de guitare, qui fait des sons différents selon sa longueur. Grâce à cette vibration, les molécules révèlent leur présence et même leur identité. Cette « signature » peut être « lue » dans la lumière réfléchie.
Cette méthode n'est pas efficace, cependant, dans la détection de molécules de taille nanométrique. La longueur d'onde du photon infrarouge dirigé vers une molécule est d'environ 6 microns (6, 000 nanomètres - 0,006 millimètres), tandis que la cible ne mesure que quelques nanomètres (environ 0,000001 mm). Il est très difficile de détecter la vibration d'une si petite molécule dans la lumière réfléchie.
C'est là qu'intervient le graphène. Si la géométrie correcte est donnée, le graphène est capable de focaliser la lumière sur un point précis de sa surface et "d'entendre" la vibration d'une molécule nanométrique qui lui est attachée. "Nous dessinons d'abord des nanostructures sur la surface du graphène en la bombardant de faisceaux d'électrons et en la gravant avec des ions oxygène, " a déclaré Daniel Rodrigo, co-auteur de la publication. "Quand la lumière arrive, les électrons dans les nanostructures de graphène commencent à osciller. Ce phénomène, connu sous le nom de «résonance plasmonique de surface localisée, ' sert à concentrer la lumière en de minuscules taches, comparables aux dimensions des molécules cibles. Il est alors possible de détecter des structures nanométriques."
Faire osciller les électrons du graphène de différentes manières permet de « lire » toutes les vibrations de la molécule à sa surface. Crédit: Science / EPFL / Miguel Spuch / Daniel Rodrigo
Reconfigurer le graphène en temps réel pour voir la structure de la molécule
Il y a plus. En plus d'identifier la présence de molécules nanométriques, ce processus peut également révéler la nature des liaisons reliant les atomes qui composent la molécule.
Lorsqu'une molécule vibre, il n'émet pas qu'un seul type de "son". Il produit toute une gamme de vibrations, qui sont générés par les liaisons reliant les différents atomes. Revenons à l'exemple de la guitare :chaque corde vibre différemment et forment ensemble un instrument de musique. Ces nuances renseignent sur la nature de chaque liaison et sur la santé de l'ensemble de la molécule. « Ces vibrations agissent comme une empreinte digitale qui nous permet d'identifier la molécule; comme les protéines, et peut même dire leur état de santé », a déclaré Odeta Limaj, un autre co-auteur de la publication.
Afin de capter le son émis par chacune des cordes, il doit être possible d'identifier toute une gamme de fréquences. Et c'est quelque chose que le graphène peut faire. Les chercheurs ont "réglé" le graphène à différentes fréquences en appliquant une tension, ce qui n'est pas possible avec les capteurs de courant. Faire osciller les électrons du graphène de différentes manières permet de « lire » toutes les vibrations de la molécule à sa surface. "Nous avons testé cette méthode sur des protéines que nous avons attachées au graphène. Cela nous a donné une image complète de la molécule, " dit Hatice Altug.
Un grand pas en avant vers l'utilisation du graphène pour la détection de molécules
Le nouveau procédé à base de graphène représente une avancée majeure pour les chercheurs, pour plusieurs raisons. D'abord, cette méthode simple montre qu'il est possible de réaliser une analyse complexe à l'aide d'un seul appareil, alors qu'il en nécessite normalement plusieurs différents. Et tout cela sans stresser ni modifier l'échantillon biologique. Seconde, il montre l'incroyable potentiel du graphène dans le domaine de la détection. "Il y a beaucoup d'applications possibles, " a déclaré Altug. " Nous nous sommes concentrés sur les biomolécules, mais la méthode devrait aussi fonctionner pour les polymères, et bien d'autres substances, " elle a ajouté.
