Le comportement des nanoparticules dans l'environnement est extrêmement complexe. Il y a actuellement un manque de données expérimentales systématiques pour aider à les comprendre de manière globale, comme l'ont montré les scientifiques de l'environnement de l'ETH dans une vaste étude d'ensemble. Une approche plus standardisée contribuerait à faire progresser le domaine de la recherche.

L'industrie des nanotechnologies est en plein essor. Chaque année, plusieurs milliers de tonnes de nanoparticules synthétiques sont produites dans le monde; tôt ou tard, une certaine partie d'entre eux se retrouvera dans les plans d'eau ou dans le sol. Mais même les experts ont du mal à dire exactement ce qui leur arrive là-bas. C'est une question complexe, non seulement parce qu'il existe de nombreux types différents de nanoparticules artificielles (fabriquées), mais aussi parce que les particules se comportent différemment dans l'environnement selon les conditions qui y règnent.

Des chercheurs dirigés par Martin Scheringer, Scientifique principal au Département de chimie et de biosciences appliquées, voulait apporter une certaine clarté à cette question. Ils ont examiné 270 études scientifiques, et le presque 1, 000 expériences de laboratoire qui y sont décrites, à la recherche de modèles dans le comportement des nanoparticules manufacturées. L'objectif était de faire des prédictions universelles sur le comportement des particules.

Les particules s'attachent à tout

Cependant, les chercheurs ont trouvé une image très mitigée lorsqu'ils ont examiné les données. "La situation est plus complexe que de nombreux scientifiques ne l'auraient prédit auparavant, " dit Scheringer. "Nous devons reconnaître que nous ne pouvons pas dresser un tableau uniforme avec les données dont nous disposons aujourd'hui."

Nicole Sani-Kast, doctorant dans le groupe Scheringer et premier auteur de l'analyse publiée dans la revue PNAS , ajoute :« Les nanoparticules artificielles se comportent de manière très dynamique et sont très réactives. Elles s'attachent à tout ce qu'elles trouvent :à d'autres nanoparticules pour former des agglomérats, ou à d'autres molécules présentes dans l'environnement."

Analyse de réseau

A quoi réagissent exactement les particules, et à quelle vitesse, dépend de divers facteurs tels que l'acidité de l'eau ou du sol, la concentration des minéraux et sels existants, et par dessus tout, la composition des substances organiques dissoutes dans l'eau ou présentes dans le sol. Le fait que les nanoparticules manufacturées aient souvent un revêtement de surface rend les choses encore plus compliquées. Selon les conditions environnementales, les particules conservent ou perdent leur enrobage, qui à son tour influence leur comportement de réaction.

Pour évaluer les résultats disponibles dans la littérature, Sani-Kast a utilisé pour la première fois une analyse de réseau dans ce domaine de recherche. C'est une technique familière dans la recherche sociale pour mesurer les réseaux de relations sociales, et lui a permis de montrer que les données disponibles sur les nanoparticules manufacturées sont incohérentes, insuffisamment diversifiée et mal structurée.

Plus de méthode pour l'apprentissage automatique

« Si plus structuré, des données cohérentes et suffisamment diverses étaient disponibles, il peut être possible de découvrir des modèles universels à l'aide de méthodes d'apprentissage automatique, " dit Scheringer, "mais nous n'en sommes pas encore là." Il faut d'abord disposer de suffisamment de données expérimentales structurées.

« Afin que la communauté scientifique puisse mener de telles expériences de manière systématique et standardisée, une certaine coordination est nécessaire, " ajoute Sani-Kast, mais elle est consciente qu'un tel travail est difficile à coordonner. Les scientifiques sont généralement bien connus pour préférer explorer de nouvelles méthodes et conditions plutôt que d'effectuer régulièrement des expériences standardisées.

Distinguer les nanoparticules artificielles et naturelles

En plus du manque de recherche systématique, il existe également un deuxième problème tangible dans la recherche sur le comportement des nanoparticules manufacturées :de nombreuses nanoparticules manufacturées sont constituées de composés chimiques qui se produisent naturellement dans le sol. Jusqu'à présent, il a été difficile de mesurer les particules artificielles dans l'environnement, car il est difficile de les distinguer des particules naturelles ayant la même composition chimique.

Cependant, chercheurs du département de chimie et de biosciences appliquées de l'ETH Zurich, sous la direction du professeur de l'ETH Detlef Günther, ont récemment mis en place une méthode efficace qui permet une telle distinction dans les enquêtes de routine. Ils ont utilisé une technique de spectrométrie de masse de pointe et très sensible (appelée spectrométrie de masse spICP-TOF) pour déterminer quels éléments chimiques composent les nanoparticules individuelles dans un échantillon.

En collaboration avec des scientifiques de l'Université de Vienne, les chercheurs de l'ETH ont appliqué la méthode à des échantillons de sol contenant des particules naturelles contenant du cérium, dans lequel ils ont mélangé des nanoparticules de dioxyde de cérium. En utilisant des méthodes d'apprentissage automatique, parfaitement adaptés à cette problématique particulière, les chercheurs ont pu identifier des différences dans les empreintes chimiques des deux classes de particules. « Alors que les nanoparticules produites artificiellement sont souvent constituées d'un seul composé, les nanoparticules naturelles contiennent généralement encore un certain nombre d'éléments chimiques supplémentaires, " explique Alexander Gundlach-Graham, un post-doctorat dans le groupe de Günther.

La nouvelle méthode de mesure est très sensible :les scientifiques ont pu mesurer des particules artificielles dans des échantillons contenant jusqu'à cent fois plus de particules naturelles.