Une nouvelle nanotechnologie identifie la composition chimique et la structure des impuretés dans l'air, les liquides et les tissus vivants

31 juillet 2023

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par l'Université de Bath

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. Les nanotechnologies émergentes (basées sur un état de lumière « tordu ») promettent de faciliter l'identification de la composition chimique des impuretés et de leur forme géométrique dans des échantillons d'air, de liquides 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 des 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 le comportement des molécules, 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 manière dont les atomes sont disposés dans l'espace et nous avons désormais 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.