Les scientifiques suggèrent d’utiliser des métasurfaces de nanoparticules d’or pour déterminer la composition moléculaire de la substance

Les scientifiques suggèrent d'utiliser des métasurfaces de nanoparticules d'or pour déterminer la composition moléculaire de la substance

Les scientifiques suggèrent d'utiliser des métasurfaces de nanoparticules d'or pour déterminer la composition moléculaire de la substance

Crédit de particules d’or: Dmitry Bayer

Une nouvelle méthode permettra de créer des dispositifs compacts qui détermineront avec précision la composition moléculaire d’un liquide ou d’un gaz et aideront à identifier les composés chimiques potentiellement dangereux. Les résultats des travaux menés par des chercheurs de l’Université ITMO et de l’Université Ben Gourion du Néguev, en Israël, ont été publiés dans Nanomatériaux.


Aujourd’hui, de plus en plus d’attention est accordée à la qualité de l’air et de l’eau et au contrôle de tous les composés nocifs qu’ils peuvent contenir. Même une petite concentration de tels composés peut avoir un effet négatif considérable sur la santé des humains et des animaux. Nous avons besoin d’un équipement complexe pour surveiller la composition chimique des substances et identifier des composés spécifiques. La plus répandue des méthodes précédemment appliquées est la spectroscopie vibrationnelle.

« Avec la spectroscopie vibrationnelle, vous pouvez facilement apprendre la composition moléculaire de toute substance que vous ne connaissiez pas auparavant », explique Daler Dadadzhanov, doctorant dans un programme conjoint de l’Université ITMO et de l’Université Ben Gourion du Néguev, Israël, associé de recherche à l’International Centre de recherche et d’enseignement pour la physique des nanostructures. « Cela fonctionne comme ceci: nous avons une substance inconnue qui se compose d’un certain nombre d’atomes interagissant les uns avec les autres; un groupe amino, par exemple, a des atomes d’hydrogène et d’azote. Lorsqu’il est soumis à un rayonnement lumineux, ces atomes commencent à osciller, absorbant un certain quantité d’énergie pendant qu’ils y sont. En conséquence, l’énergie sortante sera moindre. La fréquence à laquelle l’énergie a été absorbée peut être utilisée pour déterminer les groupes atomiques fonctionnels d’une molécule. Ensuite, un ‘ID moléculaire ‘pourrait être créé qui peut ensuite être utilisé par un détecteur car il détermine le type de substance qui lui a été présenté.  »

Les spectromètres utilisés aujourd’hui fonctionnent généralement dans le domaine spectral moyen infrarouge, avec une longueur d’onde de 2,5 à 25 micromètres. Dans cette plage, les différences entre l’énergie de la lumière incidente et l’énergie qui a déjà traversé la substance peuvent être facilement définies et analysées. Les analyseurs fonctionnant dans cette gamme, cependant, sont relativement grands et encombrants, ainsi que plutôt chers. De plus, certaines bandes du spectre infrarouge moyen sont si intenses, comme celles liées à la vibration des atomes d’hydrogène d’un groupe OH, qu’elles conduisent à une absorption totale d’énergie lors de la détection de petites quantités de substances. Ces bandes sont à l’origine de difficultés lors de l’interprétation d’autres bandes vibratoires caractéristiques du spectre d’absorption.

Le système pourrait être rendu plusieurs fois plus petit s’il pouvait fonctionner non pas dans l’infrarouge moyen mais dans le spectre proche infrarouge compatible avec le rayonnement à ondes courtes. Le spectre du proche infrarouge est beaucoup plus étudié que celui du moyen infrarouge – principalement parce qu’il est utilisé par les systèmes de télécommunications modernes.

« Le principal avantage du spectre proche infrarouge est qu’il existe aujourd’hui de nombreuses unités de rayonnement continu écoénergétiques et de haute qualité et des détecteurs fiables », commente Dadadzhanov. « Ils sont moins chers que ceux utilisés dans la gamme infrarouge moyen et plus compacts. Ainsi, l’équipement spectral infrarouge moyen peut mesurer 1,5 x 1,5 mètre, tandis que celui proche infrarouge pourrait tenir sur une paume humaine. »

Cependant, il y a un problème – la réduction de la longueur d’onde signifie que la différence entre l’énergie entrante et sortante devient trop petite pour être facilement détectée. En conséquence, une plus grande quantité de substance est nécessaire pour une analyse de bonne qualité, ce qui met en péril le compactage de l’appareil. En outre, de nombreux capteurs visent à détecter des substances inconnues avec des concentrations légèrement faibles, telles que des molécules toxiques. La tâche devient plus difficile dans le spectre proche infrarouge.

Avant de créer un analyseur basé sur la spectroscopie vibrationnelle proche infrarouge, les scientifiques doivent trouver un moyen d’amplifier le signal reçu en raison de la différence entre l’énergie entrante et l’énergie sortante. C’est ce sur quoi travaillaient les chercheurs de l’Université Ben Gourion du Néguev, Israël dirigée par le Dr Alina Karabchevsky et leurs collègues de l’Université ITMO.

« Dans notre article, nous proposons la conception suivante: sur une base d’un diélectrique transparent, comme, par exemple, du verre borosilicaté, un réseau périodique de nanoparallélépipèdes d’or est formé. De telles structures peuvent être acquises par lithographie par faisceau d’électrons », poursuit Dadadzhanov . «Après cela, nous recouvrons le substrat d’une fine couche de la substance étudiée et enregistrons le spectre de transmittance de l’échantillon, qui est conditionné par l’excitation combinée de la résonance plasmonique dans les nanoparticules d’or et les vibrations moléculaires (harmoniques) de la substance étudiée. Nanoparallélépipèdes d’or dans la forme proposée ont leur résonance plasmonique précisément dans la même zone du spectre où les molécules étudiées ont leurs bandes d’absorption.De plus, au voisinage d’une surface métallique, le champ électromagnétique est fortement amplifié, ce qui augmente la sensibilité du capteur proposé.  »

L’article publié est théorique – avec des recherches menées sur des modèles numériques. La prochaine étape consistera donc à mener des expériences réelles de création de tels systèmes dans des conditions de laboratoire.


Technologie MEMS pour la fabrication de spectromètres plasmoniques proche infrarouge


Plus d’information:
Daler R. Dadadzhanov et al. Lattice Rayleigh Anomaly Associated Enhancement of NH and CH Stretching Modes on Gold Metasurfaces for Overtone Detection, Nanomatériaux (2020). DOI: 10.3390 / nano10071265

Fourni par l’Université ITMO

Citation: Les scientifiques suggèrent d’utiliser des métasurfaces de nanoparticules d’or pour déterminer la composition moléculaire de la substance (2020, 19 juillet) récupéré le 19 juillet 2020 sur https://phys.org/news/2020-07-scientists-gold-nanoparticle-metasurfaces-substance.html

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