Monde de la physique : « Nous voyons des nanoplastiques »

La pollution causée par les minuscules particules de plastique constitue un problème croissant pour notre environnement et notre santé. Le fardeau des microplastiques est connu depuis des années. Mais il existe des particules encore plus petites, appelées nanoplastiques, dont la concentration dans les rivières, par exemple, n’a pas encore été mesurée directement. C’est pourquoi les chercheurs ont développé une méthode permettant de détecter rapidement et avec précision même des particules nanoplastiques individuelles. Dans une interview accordée à World of Physics, Sarah Skoff de l’Université technique de Vienne explique comment fonctionne sa méthode et comment elle et son équipe souhaitent développer des capteurs basés sur celle-ci.

Monde de la physique : Que sait-on déjà de ces minuscules particules de plastique ?

Sarah Skoff : Les microplastiques polluent de plus en plus notre environnement. De telles particules, de taille inférieure à cinq millimètres, sont créées, par exemple, lorsque des déchets plastiques pénètrent dans les cours d’eau et se décomposent en particules de plus en plus petites. On trouve désormais des microplastiques pratiquement partout : dans les eaux de la fosse des Mariannes jusqu’à l’Arctique, mais aussi dans les organismes. Et là où il y a des microplastiques, il y a certainement des particules encore plus petites – et en plus grandes quantités. Cela a conduit les chercheurs à examiner des particules de plus en plus petites. Si ces particules de plastique sont plus petites qu’un micromètre – c’est-à-dire un millième de millimètre – on les appelle nanoplastiques.

Les nanoplastiques sont-ils plus dangereux pour l’environnement et la santé que les microplastiques ?

Les plastiques sont largement utilisés, entre autres, dans l’industrie alimentaire. En conséquence, nous ingérons des micro et nanoplastiques par le biais des aliments, par exemple par l’abrasion des planches à découper en plastique, des bouteilles en plastique ou en mangeant du poisson. Des expériences biologiques ont montré que les nanoplastiques se propagent beaucoup plus facilement dans l’organisme que les microplastiques et que ces plastiques peuvent s’accumuler dans les organismes. Comme les cellules ne perçoivent souvent pas les nanoparticules comme des corps étrangers, le plastique peut également pénétrer dans les cellules. Des malformations causées par les microplastiques ont même été observées dans des embryons de poisson zèbre, et de minuscules particules de plastique mesurant 5 à 10 micromètres ont également été détectées dans le placenta humain. La question est maintenant de savoir quel impact cela a sur nous, notre corps et nos enfants. Pour ce faire, nous devons être capables de mieux mesurer les plus petites particules, mais ce n’est pas si simple.

Qu’est-ce qui rend la détection des nanoplastiques si difficile ?

Les microplastiques jusqu’à une taille d’une vingtaine de micromètres peuvent être détectés grâce, entre autres, à des méthodes spectroscopiques. Toutefois, avec des particules plus petites, cela devient de plus en plus difficile. Avec les nanoplastiques, ces méthodes atteignent les limites de solubilité car les particules sont plus petites que la longueur d’onde de la lumière. Jusqu’à présent, la microscopie électronique a principalement été utilisée pour détecter ces plus petites particules, par exemple dans des échantillons de tissus. La microscopie électronique peut être utilisée pour dissoudre de très petites particules, mais la méthode présente plusieurs inconvénients : elle nécessite une très bonne et longue préparation de l’échantillon et il est très difficile de prouver de quel matériau il s’agit réellement. De plus, des systèmes complexes sont nécessaires sur site. C’est pourquoi les simulations théoriques sont actuellement souvent utilisées pour tirer des conclusions sur la présence de nanoplastiques à partir des concentrations mesurées de microplastiques. Mais contrairement aux microplastiques, les nanoplastiques se propagent beaucoup plus facilement dans l’eau, par exemple. Afin de modéliser cela correctement, nous avons besoin de mesures empiriques avec lesquelles nous pouvons ensuite comparer les données théoriques.

Vous avez désormais développé une nouvelle méthode de détection – comment ça marche ?

Notre méthode est basée sur la spectroscopie dite Raman : nous dirigeons la lumière laser sur un échantillon et observons comment la lumière est diffusée dans l’échantillon. Dans un premier temps, nous examinons des échantillons artificiels de laboratoire : des liquides auxquels des nanoplastiques ont été préalablement ajoutés dans une concentration connue. Nous vérifions si nous pouvons identifier correctement les particules de plastique présentes dans ces échantillons. Nous ne nous intéressons qu’à la partie de la lumière qui interagit fortement avec les molécules de l’échantillon et les fait vibrer. La lumière cède alors une partie de son énergie aux vibrations et laisse l’échantillon avec moins d’énergie, pour ainsi dire avec une couleur différente. Ce changement de couleur est caractéristique de la molécule concernée : chaque molécule vibre à sa manière et avec une énergie différente. De la modification du spectre lumineux, nous pouvons déduire quelles molécules sont présentes et, par exemple, distinguer différents types de plastique, mais aussi les particules de plastique des particules de verre.

Et c’est ainsi que vous voyez réellement les nanoparticules individuelles ?

Oui, mais il faut quand même aider un peu car le processus d’épandage décrit est très inefficace. Cela signifie qu’il existe très peu de lumière diffusée appropriée à partir de laquelle nous pouvons créer des images. Plus les particules sont petites, moins nous pouvons utiliser de lumière et, avec les nanoparticules individuelles, nous n’avons plus aucune chance de les détecter sans amplification supplémentaire. C’est pourquoi nous utilisons également une grille en or ultra-fine dans notre expérience, ce qui renforce l’effet de diffusion. Lorsque la lumière tombe sur la grille, elle se concentre sur des points spécifiques de la grille en raison de ce que l’on appelle les plasmons, qui sont des nuages ​​d’électrons dans le métal. L’interaction entre la lumière et la matière y est particulièrement forte, de sorte qu’une lumière plus diffusée est créée à partir de vibrations moléculaires. Ceci est ensuite encore renforcé par une sorte d’effet de résonance de la grille. De cette manière, nous garantissons que même les nanoparticules individuelles brillent de manière éclatante. Ce fut certainement l’un des moments les plus excitants de ce projet : le fait qu’avec la grille en or, nous puissions soudainement voir des particules de plusieurs centaines de nanomètres sous un microscope normal.

La nouvelle méthode fonctionne-t-elle également en dehors du laboratoire ?

Jusqu’à présent, nous avons montré que la méthode fonctionne en principe. Nous sommes actuellement en train d’améliorer encore les porte-échantillons et leur effet de renforcement afin qu’ils fonctionnent mieux pour différents types de plastiques et différentes tailles de particules. Nous avons déjà réalisé des simulations théoriques et souhaitons désormais examiner des échantillons pertinents pour l’environnement, tels que des échantillons d’eau et biologiques, au lieu d’échantillons de laboratoire – d’abord en laboratoire, et à l’avenir également directement sur place. Pour les applications directes dans l’environnement, nous avons besoin d’appareils rapides et pratiques. Une particularité de notre méthode est que nous gagnons beaucoup de temps lors de la prise de mesures car nous ne regardons pas l’ensemble du spectre électromagnétique. Puisque nous savons à quelles fréquences vibrent les molécules de plastique, nous nous intéressons spécifiquement à ces zones caractéristiques du spectre. Nous souhaitons à terme intégrer l’ensemble de la technologie dans un capteur de mesure compact avec lequel nous pourrons ensuite examiner la concentration de nanoplastiques sur place.

À quel type d’échantillons pensez-vous ?

Nous aimerions développer un capteur qu’on pourrait simplement maintenir dans l’eau, par exemple, pour mesurer les nanoparticules qu’elle contient. Cela pourrait fonctionner de la même manière avec des échantillons de sang. L’avantage des liquides est qu’ils peuvent être pompés via un appareil de mesure intégré au capteur. Pour des échantillons plus complexes, tels que des échantillons de tissus provenant d’interventions chirurgicales, un équipement plus grand et plus complexe serait probablement nécessaire et les échantillons devraient être traités au préalable et placés sur un porte-échantillon. Pour répondre à ces questions, nous travaillons en étroite collaboration avec des collègues de la recherche en matière plastique, de chirurgie, de microbiologie et de médecine.

Vous et votre groupe étudiez actuellement les réseaux quantiques. Qu’est-ce qui vous a amené aux nanoplastiques ?

D’une part mon intérêt personnel et d’autre part le dénominateur commun avec les réseaux quantiques. Afin de transmettre des informations quantiques, nous avons également besoin d’une très forte interaction lumière-matière. Cette recherche a donné naissance à l’idée : si l’on peut contrôler des molécules individuelles avec seulement quelques particules lumineuses, cela pourrait également être un bon outil pour trouver et reconnaître les petites particules. À l’avenir, nous souhaitons poursuivre nos études sur les nanoplastiques parallèlement à nos recherches sur les réseaux quantiques et élargirons également notre groupe et construirons un deuxième microscope afin que personne n’ait à attendre ses expériences.