Doper, en chimie, consiste à ajouter une substance à un produit pour en modifier considérablement certaines propriétés. Fiorenzo Vetrone, 37 ans, crée des nanoparticules, soit des cristaux composés de quelques centaines d’atomes seulement, afin qu’elles émettent de la lumière visible lorsque stimulées.
Ces nanoparticules luminescentes ouvrent la voie à une foule d’applications dans le domaine de la médecine, à commencer par la détection des cancers. De quelle manière? Fiorenzo Vetrone veut que ses nanoparticules pénètrent uniquement dans les cellules cancéreuses. Il suffirait alors de mesurer d’où provient la lumière émise pour délimiter les tumeurs.
Bien plus qu’un Lite-Brite
Certaines nanoparticules luminescentes sont connues depuis plusieurs années déjà. C’est le cas des boîtes quantiques, des nanocristaux de matériau semi-conducteur dont les propriétés s’apparentent à celles d’un atome, et qui sont étudiées depuis les années 1980. Lorsqu’elles sont bombardées de rayons ultraviolets (UV), leurs électrons sont excités puis dégagent l’énergie acquise sous forme de lumière visible.
L’utilisation des UV limite cependant celle des boîtes quantiques dans le milieu biologique. « Ce type de lumière ne pénètre presque pas les tissus », souligne Fiorenzo Vetrone. Impossible, donc, de stimuler des boîtes quantiques qui se trouveraient sous la peau. En plus, certaines molécules naturellement présentes dans le corps réagissent aux rayons UV en émettant de la fluorescence. Cette interférence rend difficile l’analyse de la lumière dégagée. Et n’oublions pas que c’est la nocivité des rayons UV qui nous obligent à nous badigeonner de crème solaire l’été !
L’intérêt des nanoparticules luminescentes développées par le chercheur est qu’elles peuvent être stimulées par de la lumière près du spectre de l’infrarouge. Celle produite par un simple pointeur laser suffit. Ces rayons ne présentent aucun risque pour la santé, pénètrent mieux les tissus et n’engendrent aucune interférence avec les autres molécules du corps. Bref, les nanoparticules de Fiorenzo Vetrone comblent plusieurs défauts des boîtes quantiques.
Terres rares
La lumière dégagée par les nanoparticules qu’il développe est visible à l’œil nu. Un phénomène plutôt étonnant, puisque ces rayons contiennent plus d’énergie que ceux du spectre infrarouge utilisé pour stimuler les nanoparticules. Voilà qui semble contrevenir aux règles élémentaires de physique! « Pas du tout », affirme Fiorenzo Vetrone. Malgré les apparences, aucune énergie n’est créée. Le phénomène est plutôt dû aux éléments employés pour « doper » les nanoparticules, soit le thulium, l’erbium et l’ytterbium.
Les trois appartiennent au groupe des terres rares, dans le tableau périodique des éléments chimiques. Le thulium et l’erbium possèdent tous deux la particularité, en quelque sorte, de pouvoir emmagasiner de l’énergie par petits coups, puis de toute la libérer en un instant. Un peu comme une balle qui monterait les marches d’un escalier une à la fois, puis se laisserait tomber une fois rendue en haut.
Ces deux substances sont toutefois peu sensibles à la lumière près de l’infrarouge. Ce qui n’est pas le cas de l’ytterbium. Un peu comme une antenne reçoit un signal radio, puis le transmet à l’amplificateur, l’ytterbium absorbe le rayonnement près de l’infrarouge, puis transmet l’énergie au thulium et à l’erbium. Lorsque ces deux derniers ont emmagasiné assez d’énergie, ils émettent celle-ci d’un coup sous forme de lumière visible.
Nanoplateforme
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Fiorenzo Vetrone, d’origine italienne, mais né au Québec, s’intéresse aux nanotechnologies depuis plusieurs années. C’est lors de son doctorat en chimie, où il étudiait la spectroscopie des terres rares, qu’il constate le potentiel de ces éléments.
La création de nanoparticules luminescentes n’est que la première étape du projet de Fiorenzo Vetrone. Ultimement, il veut créer des nanoplateformes, qui pourraient « cibler, identifier puis détruire les cellules cancéreuses ». Beaucoup de chemin reste à faire d’ici là, dont tester la toxicité des nanoparticules à base de terres rares. Mais une chose est certaine : le jeune professeur continuera à nous en faire voir de toutes les couleurs. ?
