Un «laboratoire sur puce» d’analyse de la lumière ouvre la porte à une utilisation généralisée des spectromètres portables

Des scientifiques, dont un chercheur en matériaux de l’Oregon State University, ont développé un meilleur outil pour mesurer la lumière, contribuant à un domaine connu sous le nom de spectrométrie optique d’une manière qui pourrait tout améliorer, des caméras de smartphone à la surveillance de l’environnement.

L’étude, publiée aujourd’hui dans La sciencea été dirigé par l’Université Aalto de Finlande et a abouti à un puissant, ultra-minuscule spectromètre qui s’adapte sur une puce électronique et est exploité à l’aide de l’intelligence artificielle.

La recherche a porté sur une classe relativement nouvelle de matériaux ultra-minces connus sous le nom de semi-conducteurs bidimensionnels, et le résultat est une preuve de concept pour un spectromètre qui pourrait être facilement intégré à une variété de technologies, y compris des plates-formes d’inspection de la qualité, des capteurs de sécurité, biomédical analyseurs et télescopes spatiaux.

“Nous avons démontré un moyen de construire des spectromètres beaucoup plus miniatures que ce qui est généralement utilisé aujourd’hui”, a déclaré Ethan Minot, professeur de physique à l’OSU College of Science. “Les spectromètres mesurent l’intensité de la lumière à différentes longueurs d’onde et sont extrêmement utiles dans de nombreuses industries et dans tous les domaines scientifiques pour identifier des échantillons et caractériser des matériaux.”

Les spectromètres traditionnels nécessitent des composants optiques et mécaniques volumineux, alors que le nouvel appareil pourrait tenir sur le bout d’un cheveu humain, a déclaré Minot. La nouvelle recherche suggère que ces composants peuvent être remplacés par de nouveaux matériaux semi-conducteurs et l’IA, permettant aux spectromètres d’être considérablement réduits en taille par rapport aux plus petits actuels, qui ont à peu près la taille d’un raisin.

“Notre spectromètre ne nécessite pas d’assemblage optique et composants mécaniques ou des conceptions de matrices pour disperser et filtrer la lumière », a déclaré Hoon Hahn Yoon, qui a dirigé l’étude avec son collègue de l’Université Aalto, Zhipei Sun Yoon. « De plus, il peut atteindre une résolution élevée comparable aux systèmes de paillasse, mais dans un boîtier beaucoup plus petit.

L’appareil est contrôlable électriquement à 100% en ce qui concerne les couleurs de la lumière qu’il absorbe, ce qui lui confère un énorme potentiel d’évolutivité et d’utilisation généralisée, selon les chercheurs.

“L’intégrer directement dans des appareils portables tels que les smartphones et les drones pourraient faire avancer notre vie quotidienne », a déclaré Yoon. « Imaginez que la prochaine génération de nos caméras pour smartphones pourraient être des caméras hyperspectrales.”

Ces caméras hyperspectrales pourraient capturer et analyser des informations non seulement à partir de longueurs d’onde visibles, mais également permettre l’imagerie et l’analyse infrarouges.

“C’est excitant que notre spectromètre ouvre des possibilités pour toutes sortes de nouveaux gadgets de tous les jours, et des instruments pour faire de nouvelles sciences également”, a déclaré Minot.

En médecine, par exemple, les spectromètres sont déjà testés pour leur capacité à identifier des changements subtils dans les tissus humains tels que la différence entre les tumeurs et les tissus sains.

Pour surveillance de l’environnementa ajouté Minot, les spectromètres peuvent détecter exactement quel type de pollution se trouve dans l’air, l’eau ou le sol, et quelle en est la quantité.

“Ce serait bien d’avoir des spectromètres portables à faible coût qui fassent ce travail pour nous”, a-t-il déclaré. “Et dans le cadre éducatif, l’enseignement pratique des concepts scientifiques serait plus efficace avec des spectromètres peu coûteux et compacts.”

Les applications abondent également pour les amateurs scientifiques, a déclaré Minot.

“Si vous aimez l’astronomie, vous pourriez être intéressé à mesurer le spectre de lumière que vous collectez avec votre télescope et à ce que ces informations identifient une étoile ou une planète”, a-t-il déclaré. “Si la géologie est votre passe-temps, vous pouvez identifier les pierres précieuses en mesurant le spectre de lumière qu’elles absorbent.”

Minot pense qu’au fur et à mesure que les travaux sur les semi-conducteurs bidimensionnels progressent, “nous découvrirons rapidement de nouvelles façons d’utiliser leurs nouvelles propriétés optiques et électroniques”. Les recherches sur les semi-conducteurs 2D ne durent que depuis une dizaine d’années, à commencer par l’étude du graphène, ce carbone disposé dans un réseau en nid d’abeille d’une épaisseur d’un atome.

“C’est vraiment excitant”, a déclaré Minot. “Je pense que nous continuerons à faire des percées intéressantes en étudiant les semi-conducteurs bidimensionnels.”

Outre Minot, Yoon et Sun, la collaboration comprenait des scientifiques de l’Université Jiao Tong de Shanghai, de l’Université du Zhejiang, de l’Université du Sichuan, de l’Université Yonsei et de l’Université de Cambridge, ainsi que d’autres chercheurs de l’Université Aalto.