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Posté par Michel le Mercredi 04/12/2013 à 00:00
Décupler notre vision de l'infiniment petit

Cartographie de l'intensité du signal Raman superposé à une image d'un microscope électronique à balayage
Richard Martel et son équipe de recherche du Département de chimie de l'Université de Montréal ont découvert une méthode pour affiner la détection de l'infiniment petit. Leur découverte est présentée dans le numéro en ligne du 24 novembre de la revue Nature Photonics.

Grâce à l'alignement de molécules de colorants encapsulées dans un nanotube (Le nanotube est une structure cristalline particulière, de forme tubulaire, creuse et close, composée d'atomes disposés régulièrement en pentagones, hexagones...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), les chercheurs ont réussi à amplifier le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) Raman jusqu'ici pas assez puissant de ces colorants pour permettre leur détection. L'article présente les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) expérimentales d'une diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un...) extraordinaire de lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) sur une particule de taille nanométrique.

"La diffusion Raman contient de l'information sur les modes de vibration des molécules, ce qui équivaut à relever leurs empreintes digitales. C'est un peu comme un code à barres, explique le professeur de renommée internationale. Le signal Raman est propre à chaque molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus...) et donc très utile pour la repérer."

Le mode de diffusion Raman est un phénomène optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) mis au jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport...) en 1928 par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient....) Chandrashekhara Venkata Râman (Sir Chandrashekhara Venkata Râman (7 novembre 1888 - 21 novembre 1970) était un physicien indien. Il a découvert et expliqué l'effet Raman.). L'effet consiste en la diffusion inélastique d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...), c'est-à-dire le phénomène physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance...) par lequel un milieu peut modifier la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) qui y circule. Ce décalage correspond à un échange d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (longueur d'onde) entre le rayon lumineux et le milieu. Ainsi, la lumière diffusée n'a pas la même longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) que la lumière incidente. Cette technique s'est largement répandue depuis l'apparition du laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme...) dans l'industrie et le milieu de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...).


Illustration de molécules de sexithiophène (colorant) encapsulées dans un nanotube de carbone
Mais jusqu'à ce jour, le signal Raman des molécules était trop faible pour répondre efficacement aux besoins en imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait...) optique. Les chercheurs avaient donc recours à d'autres techniques optiques plus sensibles mais moins précises, car elles ne possèdent pas de "code à barres". "Il est toutefois possible techniquement de voir les signaux Raman avec un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de...) lorsque la concentration des molécules est assez élevée, indique M. Martel. Mais cela limite les applications du Raman."

Ce que l'équipe de Richard Martel a découvert, c'est que la diffusion Raman d'une particule colorant-nanotube est si grande qu'une seule particule de ce type peut être localisée et identifiée. Il suffit d'employer un lecteur optique capable de détecter cette particule et de déterminer son spectre vibrationnel.

"En intégrant ce type de nanoparticules dans un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...), on peut assurer une traçabilité à toute épreuve, résume M. Martel. Grâce à leur structure unique, les nanotubes de carbone, qui sont des conducteurs électriques, peuvent servir de contenants à diverses molécules. Associés à un colorant (Un colorant est une substance utilisée pour apporter une couleur à un objet à teinter.), ils forment des nanotraceurs qui permettent de complexifier et de décupler la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) du signal Raman obtenu."

Traceurs moléculaires

Composé d'une centaine de molécules colorées et alignées dans le cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée...), le nanotraceur est 50 000 fois plus petit qu'un cheveu. Il mesure environ un nanomètre de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la...) et 500 de long. Et pourtant les particules colorées encapsulées dans le nanotube de carbone donnent un signal Raman un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un (1 000 001). Il vaut un millier de milliers.) de fois plus intense que celui des autres molécules autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de l'objet.


Richard Martel
Selon le professeur Martel, les applications pouvant découler de cette découverte sont nombreuses. En médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et cherchant à...), ces nanotraceurs pourraient conduire à des diagnostics plus précis et à des traitements plus efficaces en s'agrippant à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) des cellules malades. Ces marqueurs modifiés spécifiquement pourraient en effet être greffés sur des bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries...), voire des protéines, ce qui permettrait de les repérer simplement.

On peut aussi imaginer un douanier qui scannerait notre passeport avec un mode Raman multispectral (aux signaux multiples). Ces nanotraceurs pourraient également être utilisés dans les encres des billets de banque, rendant la contrefaçon presque impossible.

La beauté de la chose, affirme Richard Martel, c'est que le phénomène est général et plusieurs types de colorants peuvent servir à la fabrication des nanotraceurs, dont les "codes à barres" sont tous différents. "On a fabriqué jusqu'ici plus de 10 traceurs et il semble qu'il n'y a pas de limite, dit-il. On pourrait donc en principe créer autant de nanotraceurs qu'il y a de bactéries et utiliser ce principe pour les déceler avec un microscope fonctionnant en mode Raman."

Outre Richard Martel, E. Gaufrès, N. Y.-Wa Tang, F. Lapointe, J. Cabana, M.-A. Nadon, N. Cottenye, F. Raymond, tous de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) de Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de...), ainsi que T. Szkopek, de l'Université McGill, ont contribué à cette découverte.

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Source: Dominique Nancy - Université de Montréal - (Images fournies par M. Martel)