Les physiciens découvrent une nouvelle propriété optique qui mesure la torsion de minuscules hélices

Une nouvelle propriété optique non linéaire de minuscules particules a été découverte par une équipe internationale de scientifiques dirigée par des physiciens de l'Université de Bath, avec des implications importantes pour les chercheurs travaillant dans des domaines aussi divers que la technologie d'affichage, la catalyse chimique et la médecine.

La nouvelle propriété est visible lorsque la lumière traversant de minuscules particules, de taille similaire à la longueur d'onde de la lumière, est diffusée avec une couleur différente de celle de l'éclairage. La lumière diffusée est à la « fréquence de la seconde harmonique », ce qui signifie qu’elle est à deux fois la fréquence de la lumière éclairante.

L'étude, publiée dans ACS Nano, a entrepris d'explorer l'effet Tyndall, le phénomène de diffusion de la lumière à partir de particules plus grosses que les nanoparticules mais plus petites que les microparticules. Les particules de cette taille comprennent les virus et les organismes unicellulaires, tels que les bactéries.

Lorsqu'elles sont éclairées par de la lumière blanche, ces particules apparaissent bleues (les yeux bleus doivent également leur couleur à l'effet Tyndall).

Diffusion Tyndall de deuxième harmonique

Les particules inorganiques dispersées dans les liquides sont utiles dans de nombreuses applications, notamment l'ajout de couleur aux peintures et aux plastiques, les crèmes de protection UV (l'oxyde de zinc et le dioxyde de titane diffusent la lumière ultraviolette mais laissent passer la lumière visible), la catalyse (pour accélérer ou permettre les réactions chimiques) , et la thérapeutique médicale (les exemples incluent l'encapsulation de médicaments et leur administration à leur cible ; la coupe sélective de l'ADN et la destruction des virus).

Pour toutes ces applications, il est essentiel pour les chercheurs de caractériser la taille et la forme des particules, avec précision et en temps réel.

La lumière est la meilleure méthode pour effectuer une telle analyse sur les particules dans l’eau, qui est souvent le milieu dans lequel elles sont contenues. Lorsque les particules sont éclairées, leur lumière diffusée contient des informations sur leur taille et leur géométrie.

Plusieurs méthodes d'analyse de la taille des particules dépendent de l'effet Tyndall. La plupart des méthodes reposent sur des sources de lumière faibles (généralement des lampes) et la lumière diffusée collectée est de la même couleur que l'éclairage. D'autres méthodes, plus sophistiquées, reposent sur une source de lumière laser. La nouvelle étude amène les scientifiques à un niveau supérieur dans la compréhension de la lumière diffusée par le laser.

Expliquant, le professeur Ventsislav Valev, qui a dirigé à la fois l'équipe de Bath et l'étude, a déclaré : « Lorsqu'un laser – avec une longue onde lumineuse – est utilisé dans l'expérience de Tyndall, la lumière peut être créée d'une couleur différente – avec une onde courte – puis diffusée. La nouvelle couleur correspond à deux fois la vibration lumineuse de l'éclairage.

“Cette découverte a été faite en 1965 dans les laboratoires de Ford Motor Company et s'applique aux particules de toutes tailles. Mais si la taille d'une particule correspond à la plage de l'effet Tyndall, alors la lumière éclairante et la lumière nouvellement créée peuvent être mieux séparées dans l'espace. Fondamentalement, l'effet Tyndall trie les ondes lumineuses par taille.

“Mais une propriété géométrique est restée jusqu'à présent inobservable avec cette nouvelle étude : la chiralité !”

Molécules tordues

La chiralité est une propriété géométrique fondamentale sur pratiquement toutes les échelles de longueur. Chez les humains et autres organismes vivants, tous les acides aminés fonctionnels sont chiraux, tout comme les sucres, les protéines, etc. La chiralité s'exprime dans le sens de torsion d'une molécule (dans le sens horaire ou antihoraire), semblable à la torsion d'une hélice d'ADN.

Pour la nouvelle étude, des membres de l'équipe américaine ont fabriqué des hélices de silicium d'une longueur d'environ 270 nm, ce qui correspond en taille à certains virus, grands exosomes et bactériophages.

Le professeur Valev a déclaré : « Nous avons découvert que lorsque nous illuminons ces hélices avec une lumière laser chirale (ou polarisée circulairement), la lumière diffusée peut nous indiquer dans quelle direction les hélices de silicium s'enroulent.

“L'une des raisons pour lesquelles cela est important est que le silicium est l'élément solide le plus abondant sur Terre, de sorte que chaque nouvelle propriété recèle un potentiel pour des applications durables et rentables.

“Une autre raison est que la mesure de la torsion (chiralité) est indispensable pour assembler des matériaux inorganiques à partir d'éléments de base nanotechnologiques. L'importance est similaire à celle de fabriquer puis de pouvoir mesurer le filetage d'une vis standardisée.”

Pour l'avenir, le professeur Valev a déclaré : “Maintenant que nous disposons d'une base de référence pour les propriétés des hélices simples dans l'eau, la prochaine étape consiste à commencer à les modifier et éventuellement à les transformer en matériaux auto-assemblés.”

doctorat L'étudiant Ben Olohan, premier auteur de la publication de recherche, a déclaré : « La clé ici est que les processus biologiques s'étendent des molécules aux assemblages cellulaires et au-delà. Comparés aux échelles de longueur de la diffusion Tyndall, des effets similaires ont été observés pour des distances beaucoup plus petites et plus grandes. particules beaucoup plus grosses.

“Donc, cet effet d'échelle de longueur intermédiaire devait exister, mais il est resté inobservé. C'est pourquoi j'ai continué à chercher attentivement sa démonstration. C'est très satisfaisant pour mon projet de doctorat d'avoir trouvé un tel “chaînon manquant” dans la science. “.