REACH 2025: De l’eau, partout de l’eau
Par Ty Burke
Illustration par Cornelia Li
La recherche quantique du CIFAR veut vous mettre les technologies d’analyse de l’eau dans la paume de la main
L’eau potable est un besoin fondamental. Pourtant, selon la Banque mondiale, près de 2 milliards de personnes dans le monde n’y ont pas un accès fiable. Chaque année, 3,5 millions de personnes meurent de maladies d’origine hydrique comme la dysenterie et le choléra. Les contaminants tels que les plastiques, l’arsenic et les produits chimiques dangereux peuvent contribuer à des problèmes de santé à long terme comme le cancer.
Les membres du programme Informatique quantique du CIFAR veulent pallier cette situation par la mise au point de capteurs quantiques portatifs capables d’identifier les contaminants dans l’eau afin d’aider les gens à déterminer les risques avant qu’il ne soit trop tard.
Ashok Ajoy, professeur adjoint de chimie à l’Université de la Californie à Berkeley
Ajoy collabore avec Christine Muschik, Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo, à la mise au point d’un appareil de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire capable d’identifier des quantités infimes de contaminants en mesurant leur effet sur le spin des électrons. Dans cet appareil, de minuscules gouttelettes d’eau sont incorporées à une goutte d’huile et acheminées à grande vitesse dans un minuscule canal. Le liquide passe devant un capteur composé de nanoparticules de diamant.
Et la magie réside dans leurs défauts, appelés centres azote-lacune. Ces centres deviennent fluorescents – ou s’illuminent – une fois exposés au magnétisme.
« Ces défauts expliquent la couleur rose d’un diamant, précise Ajoy. Et si vous les éclairez d’une lumière verte, ils deviennent rouges. Cette fluorescence est une propriété du spin de l’électron dans le centre du défaut. La quantité de fluorescence dépend du spin de l’électron et peut se mesurer avec une très grande précision. »
Cette technologie ouvre la voie à l’identification de contaminants particuliers, comme les plastiques ou les produits chimiques agricoles, en fonction de leur signature magnétique propre. L’appareil d’Ajoy et Muschik est d’une extrême sensibilité; il peut détecter des niveaux de magnétisme correspondant à un millionième de l’intensité du champ magnétique terrestre.
Cet appareil promet d’être précis et portable, et constituerait une amélioration remarquable par rapport aux technologies utilisées aujourd’hui pour identifier les contaminants. Parmi ces technologies figure le spectromètre de masse, une sorte de balance atomique qui existe depuis des dizaines d’années.
La spectrométrie de masse permet de détecter des quantités infiniment petites d’un matériau par la mesure de son poids atomique. Mais ces appareils peuvent être aussi volumineux qu’un salon et coûter des millions de dollars. Il est donc impossible d’en apporter un au puits d’un village rural ou dans une zone sinistrée où l’approvisionnement en eau a été compromis.
« En principe, il serait possible de fabriquer un appareil de très petite taille, à faible coût, explique Ajoy. Comme il comporte des diamants, les gens pensent souvent qu’il est coûteux, mais les diamants en question sont très bon marché. Lors d’une expérience récente, les diamants de l’appareil ont coûté moins cher que l’huile dont nous nous sommes servis. Et le laser pourrait n’être qu’une diode bon marché. Cet appareil n’a rien d’extraordinaire et sa fabrication pourrait se faire à relativement petit prix. »
Comme beaucoup d’autres technologies de détection quantique, la technologie de la résonance magnétique nucléaire est plus évolutive que révolutionnaire. Les capteurs quantiques peuvent être plus sensibles, moins coûteux ou portables, ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications et met la technologie entre les mains de personnes qui n’y ont pas accès aujourd’hui.
Ajoy estime que la flexibilité du financement du CIFAR a favorisé l’avancement de ces recherches. Ce soutien lui a permis d’assister à des conférences sur la détection moléculaire qui ont approfondi sa compréhension de la technologie des gouttelettes. En outre, les réunions semestrielles du programme Informatique quantique du CIFAR ont permis à Ajoy de tisser des liens avec des scientifiques de premier plan comme Muschik, qui a apporté une perspective théorique à ces travaux.
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