Inspiré de l'anatomie des insectes, une équipe de recherche interdisciplinaire de l'Université de l'Alberta a mis au point une nouvelle façon de détecter rapidement et avec précision les produits chimiques dangereux en suspension dans l'air.

Le travail a commencé avec Arindam Phani, un étudiant diplômé du département de génie chimique et des matériaux de l'Université de l'Alberta, qui a observé que la plupart des insectes ont de minuscules poils sur la surface de leur corps, et on ne sait pas à quoi servent les poils. Essayer de comprendre de quoi ces poils peuvent être capables, Phani a conçu des expériences impliquant une "forêt" de poils minuscules sur une fine puce de cristal vibrante, sous la direction de son conseiller académique Thomas Thundat, la Chaire de recherche du Canada en génie moléculaire des sables bitumineux. Les deux ont uni leurs forces avec Vakhtang Putkaradze, Centennial Professeur au Département des sciences mathématiques et statistiques de l'Université de l'Alberta.

Les expériences et l'explication théorique ultérieure ont formé le nœud d'une nouvelle étude publiée dans le numéro du 6 septembre de Rapports scientifiques , un en ligne, revue en libre accès des éditeurs de La nature .

"Nous voulions faire quelque chose que personne d'autre ne fait, " dit Putkaradze, un mathématicien qui est aussi un expert reconnu dans le domaine de la mécanique. « Lorsque vous utilisez des résonateurs comme capteurs, la plupart des gens veulent se débarrasser de la dissipation ou de la friction car cela est considéré comme hautement indésirable, cela a tendance à obscurcir ce que vous essayez de mesurer. Nous avons pris cette chose indésirable et l'avons rendue utile."

"Détecter des produits chimiques sans récepteurs chimiques a été un défi dans des conditions normales, " dit Thundat, un expert mondial dans le domaine de la détection. "Nous avons réalisé qu'il existe une mine d'informations contenues dans la perte par friction d'un résonateur mécanique en mouvement et qu'elle est plus prononcée à l'échelle nanométrique."

L'idée est que tout objet se déplaçant rapidement dans l'air peut sonder les propriétés de l'environnement environnant. Imaginez avoir une baguette dans votre main et la déplacer d'avant en arrière, et, même les yeux fermés, vous pouvez sentir si la baguette se déplace dans l'air, l'eau, ou du miel, juste en sentant la résistance. Maintenant, imagine cette baguette avec des milliards de petits poils dessus, aller et venir plusieurs millions de fois par seconde, et imaginez simplement les possibilités de détection.

"Avec les nanostructures, nous pouvons sentir de minuscules changements dans l'air entourant le résonateur, " dit Putkaradze. " Cette sensibilité rend l'appareil utile pour détecter une grande variété de produits chimiques. "

Phani, qui est le premier auteur de la publication, pense que "des mécanismes similaires impliquant des mouvements de nano-cheveux peuvent être utilisés pour la détection par des organismes vivants". Parce que la friction change radicalement avec des changements infimes dans l'environnement et est facile à mesurer, il peut être possible de produire éventuellement un gadget de la taille similaire ou légèrement plus grand qu'un Rubik's cube et conçu pour se brancher sur un mur.

Maintenant, l'appareil du groupe est principalement conçu pour détecter les vapeurs chimiques dans l'air.

"Nous pensons que cet appareil peut fonctionner comme un spectromètre plus petit et moins cher, mesurer les produits chimiques dans la plage des parties par million, " dit Putkaradze.

Putkaradze explique que, en dehors de la taille et du coût raisonnable, ce qui distingue l'appareil des équipements plus gros et plus coûteux, c'est sa polyvalence. "Parce que notre capteur n'est pas destiné à détecter un produit chimique spécifique, il peut interpréter une large gamme, et cela ne nécessite pas que nous attachions réellement les molécules à quoi que ce soit pour créer une réponse mécanique, ce qui signifie qu'il est également réutilisable."

L'équipe ajoute que l'utilisation la plus immédiate et la plus évidente sera la surveillance de la qualité de l'air dans l'environnement. Dit Putkaradze, "nous aimerions travailler avec des applications comme les forces de l'ordre et les laboratoires scientifiques, mais l'utilisation la plus évidente est pour l'observation environnementale de la pollution chimique de l'air dans les villes et l'industrie des ressources. »

Les futures itérations sont axées sur la détection des particules, comme la poussière, ainsi que le nombre de virus présents dans l'air, inestimable pour la santé publique.