Une lumière nomade pour la nano-potabilisation de l’eau

La lumière possède un pouvoir stérilisant qui ne cesse d’être exploité pour décontaminer les milieux et les objets physiques. La découverte de l’effet de l’exposition des microorganismes nocifs aux radiations lumineuses remonte aux travaux du médecin danois Niels Ryberg Finsen (1860-1904). Depuis, des lampes germicides, des stations et des réacteurs de stérilisation ont été inventés pour désinfecter l’eau, l’air, les laboratoires, les équipements médicaux, etc. Concernant la potabilisation de l’eau par la lumière ultraviolette, les dispositifs utilisés actuellement sont certes efficaces, mais leur poids, leur encombrement et leur prix réduisent les possibilités d’usage. La technologie que nous allons présenter, issue de recherches en ingénierie nanophotonique, permettra la création de dispositifs de décontamination de l’eau légers et pas chers.

La potabilisation de l’eau par les ultraviolets

Voici comment fonctionne l’inactivation des organismes pathogènes par les ultraviolets.

Exposés à lumière ultraviolette, les bactéries, les virus et les protozoaires deviennent incapables d’infecter un autre organisme et de se reproduire. En effet, la gamme de longueurs d’onde spécifiques des ultraviolets, comprises entre 200 et 300 nanomètres (10-9 mètre), est capable de dégrader les acides nucléides des microorganismes en provoquant la formation de nouvelles liaisons entre nucléotides adjacents, ce qui engendre des doubles liaisons ou dimères. La formation de nombreux dimères de la thymine dans l’ADN des organismes pathogènes annihile le processus de réplication et de facto leur pouvoir d’infection. Capables de détruire les organismes qui résistent même au chlore, comme les protozoaires, les ultraviolets représentent des avantages sanitaires et environnementaux très importants dans la potabilisation de l’eau puisqu’ils peuvent remplacer les produits chimiques et éviter leurs inconvénients. Rappelons, par exemple, qu’une forte exposition aux sous-produits de la chloration est soupçonnée de provoquer le cancer et l’avortement spontané.

Blocage du processus de réplication de l’ADN par les ultraviolets

Les systèmes fabriqués pour assainir l’eau par la lumière sont munis de lampes à vapeur de mercure. Celles-ci présentent trois inconvénients qui empêchent la création de dispositifs nomades et légers pour décontaminer l’eau dans le cadre des actions humanitaires et militaires :

• La toxicité du mercure
• Le volume et le poids des lampes
• L’inefficience énergétique des lampes

Des chercheurs de l’Ohio State University ont inventé des diodes électroluminescentes (DEL) générant des UV qui vont désormais remplacer les lampes à vapeur de mercure.

Une nouvelle technologie DEL pour la stérilisation de l’eau

Publiée dans le journal Applied Physics Letters, la recherche de création de DEL-UV, de Brelon J. May, A.T. M. Golam Sarwar et Roberto C. Myers, intitulée, Nanowire LEDs grown directly on flexible metal foil, élargira les horizons industriels de la désinfection par la lumière. Ce type de DEL génère des ultraviolets à longueurs d’onde longues, à savoir les UVA, dont la plage varie entre 400 et 315 nanomètres. Ce rayonnement permet d’éviter la régénération des microorganismes, pouvant survenir en cas d’émission de faibles doses d’UV. Ces DEL-UV sont constituées d’un substrat semi-conducteur métallique.

Phénomène naturel d’épitaxie. Rutile sur l’hématite Oxyde de titane et oxyde de fer

Roberto C. Myer, professeur associé du département Materials science and engineering, a noté que d’autres groupes de recherche ont fabriqué des DEL-UV aussi puissantes et efficaces. Toutefois leur solution est industriellement très coûteuse parce qu’elle utilise comme substrat des semi-conducteurs monocristallins rigides.

La technologie de l’Ohio State University repose sur une technique qui permet de fabriquer des substrats conducteurs à l’échelle nanométrique. Il s’agit de la technique de croissance des semi-conducteurs connue sous le nom d’épitaxie par jet moléculaire à partir de laquelle des matériaux élémentaires vaporisés se déposent sur une surface et s’auto-organisent en couches ou nanostructures. Les ingénieurs ont utilisé cette technique pour cultiver un tapis de fils de nitrure de gallium en aluminium, fortement serrés, sur des morceaux de feuilles métalliques comme le titane et le tantale. Les fils cultivés mesurent environ 200 nanomètres de haut et environ 20 à 50 nanomètres de diamètre, des milliers de fois plus mince qu’un cheveu humain. Dans les essais effectués en laboratoire, ces nanofils s’illuminent presque aussi brillamment que ceux fabriqués sur le silicium monocristallin, plus coûteux et moins souples.

Selon Brelon J. May, leur technologie a ouvert la voie aux études scientifiques en nanophotonique pour les applications industrielles étant donné que la fabrication de composants qui produisent, traitent ou convertissent les signaux optiques à l’échelle nanométrique a toujours été considérée comme étant complexe.