Avec les techniques de test conventionnelles, il peut être difficile, voire impossible, de détecter des contaminants nocifs tels que les nanoplastiques, les polluants atmosphériques et les microbes dans les organismes vivants et les matériaux naturels. Ces contaminants sont parfois trouvés en si petites quantités que les tests ne parviennent pas à les détecter de manière fiable.
Cependant, cela pourrait bientôt changer. La nanotechnologie émergente (basée sur un état de lumière « tordu ») promet de faciliter l'identification de la composition chimique des impuretés et de leur forme géométrique dans des échantillons d'air, de liquide et de tissus vivants.
Une équipe internationale de scientifiques dirigée par des physiciens de l’Université de Bath contribue à cette technologie, qui pourrait ouvrir la voie à de nouvelles méthodes de surveillance environnementale et à des médicaments avancés. Leurs travaux sont publiés dans la revue Advanced Materials .
La nouvelle technique de détection chimique est basée sur une interaction lumière-matière connue sous le nom d’effet Raman. L'effet Raman se produit lorsqu'un matériau éclairé avec une certaine couleur de lumière se diffuse et transforme la lumière en une multitude de couleurs légèrement différentes. Il produit essentiellement un mini-arc-en-ciel qui dépend de la façon dont les atomes contenus dans les matériaux vibrent.
La mesure des couleurs de l’arc-en-ciel Raman révèle des liaisons atomiques individuelles, car les liaisons moléculaires ont des modèles vibrationnels distincts. Chaque liaison au sein d'un matériau produit son propre changement de couleur par rapport à celui de l'éclairage. Ensemble, les couleurs de l'arc-en-ciel Raman servent à détecter, analyser et surveiller la composition chimique (liaisons chimiques) de molécules complexes, telles que celles trouvées dans les mélanges de polluants environnementaux.
"L'effet Raman sert à détecter les pesticides, les produits pharmaceutiques, les antibiotiques, les métaux lourds, les agents pathogènes et les bactéries. Il est également utilisé pour analyser les aérosols atmosphériques individuels qui ont un impact sur la santé humaine et le climat", a déclaré le Dr Robin Jones du Département de physique de Bath, qui est le premier auteur de l'étude.
En expansion, le professeur Liwu Zhang, co-auteur du Département des sciences de l'environnement de l'Université de Fudan en Chine, a déclaré :« Les polluants aquatiques, même en quantités infimes, peuvent s'accumuler dans les organismes vivants à travers la chaîne biologique. Cela constitue une menace pour la santé humaine et le bien-être des animaux. et la faune. En général, il est très difficile de savoir exactement quelle est la composition chimique de mélanges complexes. "
Le professeur Ventsislav Valev de Bath, qui a dirigé l'étude, a ajouté :« Il est nécessaire de comprendre les polluants complexes et potentiellement nocifs présents dans l'environnement, afin que nous puissions apprendre à les décomposer en composants inoffensifs. La façon dont les atomes sont disposés est très importante :elle peut être décisive pour la façon dont les molécules agissent, en particulier au sein des organismes vivants.
"Notre travail vise à développer de nouvelles façons par lesquelles l'effet Raman peut nous renseigner sur la façon dont les atomes sont disposés dans l'espace et nous avons maintenant franchi une étape technologique importante en utilisant de minuscules antennes en forme d'hélice en or."
L’effet Raman est très faible :seul un photon sur 1 000 000 (particules lumineuses) subit un changement de couleur. Afin de l’améliorer, les scientifiques utilisent des antennes miniatures fabriquées à l’échelle nanométrique qui canalisent la lumière incidente vers les molécules. Ces antennes sont souvent constituées de métaux précieux et leur conception est limitée par les capacités de nanofabrication.
L'équipe de Bath a utilisé les plus petites antennes hélicoïdales jamais utilisées :leur longueur est 700 fois inférieure à l'épaisseur d'un cheveu humain et la largeur des antennes est 2 800 fois inférieure. Ces antennes ont été fabriquées en or par les scientifiques de l'équipe du professeur Peer Fischer de l'Université de Stuttgart en Allemagne.
"Nos mesures montrent que ces antennes hélicoïdales aident à extraire beaucoup de photons arc-en-ciel Raman des molécules", a déclaré le Dr Jones. "Mais plus important encore, la forme hélicoïdale accentue la différence entre deux types de lumière souvent utilisés pour sonder la géométrie des molécules. Celles-ci sont connues sous le nom de lumière polarisée circulairement.
"La lumière polarisée circulairement peut être gauchère ou droite et nos hélices peuvent, fondamentalement, serrer la main avec la lumière. Et comme nous pouvons faire tourner les hélices vers la gauche ou vers la droite, la poignée de main avec la lumière que nous avons conçue peut être à la fois avec la main gauche ou droite."
"Bien que de telles poignées de main aient déjà été observées, l'avancée clé ici est que nous démontrons pour la première fois qu'elles sont ressenties par les molécules, car elles affectent leur arc-en-ciel Raman. Il s'agit d'une étape importante qui nous permettra de distinguer de manière efficace et fiable entre molécules gauchers et droitiers, d'abord en laboratoire puis dans l'environnement."
Afin de démontrer que la nouvelle poignée de main entre la lumière et les antennes pourrait être transmise à des molécules, les chercheurs ont utilisé des molécules – le cristal violet – qui sont incapables de « serrer la main » avec la lumière par elles-mêmes. Pourtant, ces molécules se sont comportées comme si elles pouvaient remplir cette fonction, exprimant la capacité de « poignée de main » des nanohélices d'or auxquelles elles étaient attachées.
"Un autre aspect important de notre travail ici est que nous avons travaillé avec deux partenaires industriels", a déclaré le professeur Valev. "VSParticle produit des nanomatériaux standards pour mesurer la lumière Raman. Avoir des normes communes est vraiment important pour que les chercheurs du monde entier puissent comparer les résultats."
Il a ajouté :« Notre partenaire industriel Renishaw PLC est l'un des principaux fabricants mondiaux d'équipements de spectroscopie et de microscopie Raman. De tels partenariats sont essentiels pour que les nouvelles technologies puissent sortir des laboratoires et entrer dans le monde réel, là où se situent les défis environnementaux. "
En s'appuyant sur ce travail, l'équipe travaille désormais au développement de formes plus avancées de technologies Raman.
Plus d'informations : Robin R. Jones et al, Des réseaux denses de nanohélices :la diffusion Raman à partir de molécules achirales révèle les améliorations en champ proche au niveau des métasurfaces chirales, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202209282
Informations sur le journal : Matériaux avancés
Fourni par l'Université de Bath
